锂电储能系统如何在环保、低成本的基础上增强安全性？锂电池储能系统液氮灭火装备让这一设想变成了现实。
锂电池储能系统液氮灭火装备是国网河北省电力有限公司科研项目“锂离子电池储能站电池预制舱火灾液氮防控技术与装置研发”的核心成果。该项目由国网河北省电力有限公司电力科学研究院（以下简称“国网河北电科院”）联合中国矿业大学共同完成，截至今年4月，已安全运行半年。
该灭火装备实现了锂电池储能系统火灾的惰化防爆和快速灭火，为锂电池灭火抑爆上了一道“安全锁”。
探索锂电储能灭火新思路
近年来，我国储能电站规模不断增加，为电网“削峰填谷”起着重要作用。锂电池有着能量密度大、效率高、寿命长等多重优势，是目前我国电化学储能领域的主要解决方案。
然而，越大的能量密度意味着越高的安全风险。
“锂电池在遭受外部滥用条件的诱导下会产生热失控，如猛烈撞击、穿刺、受热，导致锂电池内部剧烈反应，释放大量高温可燃性有毒气体，乃至起火燃烧。”国网河北电科院正高级工程师贾伯岩介绍，尤其是在封闭的锂离子电池储能站电池预制舱内，锂电池分布密度高，热失控一旦发生，极易引发大规模连锁反应导致火灾甚至爆炸，为此，需要采用更为高效的灭火和抑爆手段。
当前，锂离子电池储能站电池预制舱内多使用以全氟己酮、七氟丙烷为代表的气体灭火剂，和以细水雾为代表的水基型灭火剂。
但是，这两种类型的灭火药剂在阻断链式反应和抑制爆燃等方面具有局限性，如何选择一种适合锂电池灭火抑爆的方式，也成为了贾伯岩和同事们思考的问题。
国网河北电科院组织专业人员多次开会，借鉴分析国内外多种灭火抑爆方案，分析讨论具体技术措施。
“分析讨论后我们发现，热失控加之可燃气体的急剧累积是锂电池爆燃的主要原因，因此我们除了考虑传统窒息效果好的药剂，还要从降温冷却出色的介质中寻找合适的灭火药剂。”贾伯岩说，从药剂自身性能出发，他们初步将释放后能够快速汽化并吸收大量热量，快速实现惰化抑爆，且绿色无污染的液氮选择为新型灭火剂。
2020年7月，河北电科院组建了以贾伯岩为牵头人的“研究攻关团队”，启动了“锂离子电池储能站电池预制舱火灾液氮防控技术与装置研发”项目，开展锂电池储能系统液氮灭火技术研究。
多次对比试验选定灭火药剂
虽说液氮的理论性能优异，但在实际使用中表现如何却仍待检验。
攻关团队首先搭建了锂电池热失控灭火试验平台，使用液氮、七氟丙烷、全氟己酮、干粉、细水雾、泡沫、水基灭火剂等10种灭火药剂，开展了60Ah磷酸铁锂电池组火灾灭火试验，以对比验证液氮的灭火表现。
试验结果表明，相比于其他灭火药剂，液氮的灭火效果和降温冷却能力都十分出色。
同时，攻关团队从灭火效果、环保和经济三个维度，构建了包含13个指标的锂电池火灾灭火剂综合评价体系，计算得出10种药剂的综合得分。
对比发现，液氮在综合得分上同样第一，综合性能得分较细水雾灭火剂高了39%，较二氧化碳灭火剂高了99.7%。
“我们还发现，液氮喷放后，喷放口附近的环境温度能降至零下100摄氏度，所产生的极低温环境能阻断锂电池热失控的传播链条，保护尚未发生热失控的锂电池，并且该低温环境不会损坏锂电池性能。”中国矿业大学教授张国维说，这些数据进一步坚定了他采用液氮作为灭火剂的信心，也为锂电池储能系统灭火设备的研究奠定了基础。
在验证了液氮的灭火性能后，如何将液氮应用到锂电池储能系统火灾防控中，还有诸多关键科学问题和技术问题需要研究和突破。
“不同的液氮喷射工况，例如液氮注入时间、喷射时长、注氮位置等，均会对液氮的灭火性能造成影响。”张国维说，液氮灭火性能的影响机制是液氮灭火技术工程化应用的关键。
经过近两年的持续探索，攻关团队在大量试验和液氮灭火理论研究的基础上，初步完成了锂电池储能系统液氮灭火技术研究。
研究成果揭示了液氮灭火过程中的热流衰退规律，明确了液氮灭火效能的关键影响机制，提出了储能系统液氮高效灭火技术方法，为锂电池储能系统液氮灭火装备的研发打下了坚实的基础。
研发使用液氮灭火装备
有了技术和理论的支撑，攻关团队进一步研发锂电池储能系统液氮灭火装备，在2021年12月制作出了国内首台（套）适用于锂电池预制舱内的液氮灭火系统样机。
2023年5月，在相关技术与装备经过长达两年的系统性检验后，锂电池储能系统液氮灭火装备在国网河北电科院10kV/100kW/100kWh链式分布式储能系统正式投入使用，这也是该装备首次应用于真实场景下的电化学储能装置中。
今年3月16日，国网河北电科院李秉宇来到该院电力科技园10kV高压链式储能装置锂电池预制舱，对舱内液氮储气罐气压、自动排气装置等运行数据和状态开展检查，并结合前阶段运行数据进行对比，系统性摸清液氮装置的运行状态。
一段时间的运行表明，该装置安全可靠、状态良好。
锂电池储能系统液氮灭火装备可实现锂电池热失控后的“快速灭火+惰化防爆”的效果。
“它的特殊之处就在于能够根据需求通过管线连入锂电池簇内或电池组模组内部，通过内置驱动装置提供动力，可实现高效、精准如‘手术’般的液氮喷放。”国网河北省电力有限公司设备部技术处副处长何瑞东说。
锂电池储能系统液氮灭火装备与传统的锂电池灭火设备相比，性能更好、成本更低且更环保。
液氮灭火技术及装备的投入使用，降低了锂电池储能系统大规模火灾爆炸事故发生的可能性，使储能系统的安全性显著提升。
国网河北电科院计划在锂电池过热初期利用液氮快速降温的体系优势，开展“锂电池储能系统‘监测—干预—处置’防控一体化成套装置”的开发研究，将锂电池热失控火灾事故遏制在“未燃”状态，进一步提升了锂电池储能行业安全水平。（完）
