朱国庆-新能源火灾防控关键技术及装备研发
中国储能网讯：3月23日，由中国化学与物理电源行业协会主办并联合500余家机构共同支持的第十五届储能大会暨展览会（简称“CIES2025”）在杭州国际博览中心召开。 CIES大会以“绿色、数智、融合、创新”为主题，针对储能产业面临的机遇与挑战等重点、热点、难点问题展开充分探讨，分享可持续发展政策机制、资本市场、国际市场、成本疏导、智能化系统集成技术、供应链体系、商业模式、技术标准、示范项目应用案例、新产品以及解决方案的普及和规模化工程应用。 在3月24日下午进行的储能消防、安全与检测认证专场中，中国矿业大学教授朱国庆做了题为《新能源火灾防控关键技术及装备研发》的主题报告演讲。 以下内容根据大会发言整理提炼，仅供参考。 各位领导、各位专家大家下午好！我是来自中国矿业大学的消防工程专业的朱国庆，非常荣幸今天下午在这里给各位专家汇报我们关于在新能源火灾防控方面研究的成果。 我的汇报分五个部分，第一部分新能源火灾防控的研究背景，这个大家讲得比较多，我就简单地过一下。中国制定了一个“双碳”战略，以锂离子电池为能量载体的储能电站和电动汽车，以及充换电站等新能源行业快速地发展。 过去我们储能电池的储量和充电速度是大家焦虑的问题，但是随着这些年的突破我们在这方面的焦虑得到了大幅度地缓解。但是锂离子电池带来的热失控，带来火灾的风险这个焦虑目前越来越成为主要的矛盾。锂离子电池它发生热失控有内因问题，有外因问题，从哲学的角度来讲内因是变化的根据，外因是变化的条件，要解决内因问题实际上是将来努力的方向。我们要把热失控的外因地解决掉也是我们不能忽视的。 锂离子电池从一个单体热失控逐步演化成整个模组，甚至整个电站或者电池包的热失控，最后形成大面积的火灾，甚至引起爆炸，带来了整个社会的焦虑，严重制约了新能源行业和产业的发展。 锂离子电池热失控带来的问题集中在三个领域，一个是新能源汽车，再有储能电站，再有充换电的领域，我们分别过一下。在新能源汽车一旦发生热失控，会带来严重的问题，起火爆炸发展特别迅速，逃生十分困难，造成很恶劣的社会影响。 再有电动汽车一旦着火从以往的案例可以发现，没有很好的灭火剂来对付它，消防队在灭火的过程当中需要消耗大量的水，最后还是烧成一个空壳。储能电站也面临同样的问题，这些年随着储能电站的快速发展，储能电站的火灾也集中地爆发出来，关于储能电站的火灾案例也此起彼伏。 再有关于光伏电站和充放电站这方面随着最近这几年光伏发电也在快速的发展，我们充换电站布局的数量也在快速地增多，这方面的火灾问题也不容忽视，逐渐地突出出来。 总结一下，消防安全目前已经成为新能源产业、行业发展的拦路虎，绊脚石。无论是新能源汽车还是储能行业，均面临着严峻的消防安全问题，保证新能源的安全，要从三个方面做好工作。 第一，我们这个电池能不能不着火，这就要开展电池本质安全的研究。 第二，能不能早知道，在即将着火的时候我们能提前预警，这就要开展极早期预警，超早期预警的研究。 第三，能不能快速地灭火，并抑制它的复燃，这就要开展高效灭火剂的研究。 目前来讲第一道防线能不能不着火，即本质安全的研究现在短期内不会有大的改观，电池作为高能量体，从哲学的角度来讲高能量体本身就是不安全的，要想安全难度是相当大的。目前研究的重点是能不能极早期地发现，找到比较高效的灭火剂，能够控制它的燃烧，抑制爆炸。 我今天给各位领导汇报的是基于最后一点，灭火这方面。我们研究的气凝胶高效灭火剂。分析传统灭火剂，针对新能源电池火灾都存在一定的局限性。我们火灾分为ABCDEF六类火灾，过去灭火剂的研制和开发都是基于6类火灾开发研制的。但是新能源电池的火灾不仅仅是原来过去某一类灭火剂，而新能源电池的火灾至少复合了ABCDE这几类火灾，因此，基于某类火灾而研制的传统灭火剂都很难对付新能源电池的火灾。 以全氟己铜和七氟丙烷为代表的气体灭火剂由于它的汽化潜热比较低，灭火效果不可能好；以干粉为代表的固体灭火剂灭火效果更差；目前水系灭火剂是大家经过全行业反复的探索，反复的试验，证明水系灭火剂效果还好一些。由于没有形成共识，所以我们国家国标电化学储能站安全规程当中对灭火剂没有提出具体的要用哪种灭火剂，但是提出了确定性的要求，即这类灭火剂绝缘性能和降温性能要非常良好，要能够满足持续抑制复燃的要求。 因此，灭火剂的研制方向要在这三个要求上确定我们的研究目标。研发的目标是兼具高效冷却和抑爆特性的，具有高黏附性和高潜热的新型灭火剂。再者，由于无论是电动汽车还是储能电站都比较分散，规模相对比较小，灭火剂释放的方式都不能太复杂，所以压缩空气泡沫或者传统的泡沫，由于系统比较复杂，在电动汽车和储能电站的灭火应用中，从工程运用角度来讲很难接受，所以我们要研发一种释放方式非常简单的、可靠的灭火剂。 基于此我们基于气凝胶纳米颗粒来研制具有高汽化潜热、强黏附性的新型高效的灭火剂，显著地提高灭火冷却的效率，实现电池火灾的高效防治。气凝胶的化学成分是二氧化硅，气凝胶是目前我们人类发明的最耐火隔热的材料之一。 研制的第一个成果就是新型气凝胶灭火剂基础的配方，这个基础的配方能够达到电动汽车和储能电站高效灭火抑爆的效果。通过大量实验发现以水为基础的灭火基液当中加入气凝胶的颗粒和相关的聚合物能够显著提升灭火泡沫的抗烧性能。再有气凝胶颗粒分散在灭火液当中能够显著提高泡沫的析液的时间。 第二个成功开展高效清洁灭火剂性能的调控的研究。除了要能灭火之外，我们还要提高它的抑爆能力和消解可燃气体的能力。我们通过调控它的孔径大小和在里面添加一些金属催化剂，强化灭火剂的物理吸附和化学催化的功能。我们研究发现通过这种调控以后新的灭火剂对烃类和一氧化碳气体的催化和吸附效果明显地提高。 第三个是这种新型灭火剂我们要能用得起，因此要研究它的常压制备工艺，来能够实现低成本、大规模的制备。 第四个在完成低成本、大规模的制备以后，开展了对气凝胶灭火剂进行性能的评价和灭火效能实际的测试研究。我们将新型灭火剂对比既有的灭火剂，无论是泡沫的，还是气体的灭火剂进行了对比测试，测试它的灭火效果差异。 我们先开始了电芯级别的测试。这是在中国矿业大学火灾实验室开展的电芯级别的测试，左边这个录像是我们用9升的气凝胶灭火器进行喷射，两个电芯；右边是4个电芯，我们用10毫米的直流水枪来进行喷射灭火。从这个录像可以看出来直流水枪由于压力比较大，灭火效果明显优于灭火器，4个电芯热失控瞬间火就被灭掉了，而且没有再复燃。 我们又开始了模组级别的灭火实验。我们联合上海消防总队在上海徐汇支队进行了模组级的灭火测试。如图展示的画面前半段做了一些加速的处理，我们用直径30×30的油盘把某电动汽车一个完整的模组引燃，引燃之后把油盘撤走，自行维持燃烧。自行燃烧以后大概到7分钟左右，基本上烧到整个模组50%的时候，在消防队的指挥下开始进行灭火。 火灾试验现场燃烧现象还是比较恐怖的，此起彼伏的爆炸声，火灾高度最大近十米，最远爆炸碎片接近一百米。我们在接到灭火指令后，开始10毫米直流水枪灭火，喷洒气凝胶灭火剂以后基本上2秒钟，模组明火即灭，冷却2分钟后模组整体温度降到100℃以下，观察2个半小时没有再复燃。大家可以看到在灭火的过程中由原来的黑烟变成白烟，实际上是蒸发的水蒸汽，视频显示蒸汽的数量快速地减少，说明温度快速地降低了，灭火使用了大概30升的灭火剂。 分析我们的实验报告可以看出，灭火剂喷射上去以后温度从约1300度在2秒钟之内断崖式下降到100度，冷却了2分钟左右，温度就再也没有超过100度，持续观察没有再复燃。这是模组级的测试。 我们又进行了电池包层级的测试。电池包层级的测试用的是完整的电池包，磷酸铁锂电池，灭完火之后也没有再复燃的情况。 在中国矿业大学消防工程专业实验实习基地进行了电动汽车的整车燃烧和灭火测试。中国矿业大学火灾实验场大概占地面积300亩，拥有8000平方米的实验大厅，整车灭火实验是在室外试验场测试的。共烧了3辆汽车整车。第一辆采取的是淹没式的灭火，用了9分25秒，汽车完全燃烧以后最高峰的时候开始灭火，这个不是直接灭火，而是在物理围栏里面全部灌注进灭火剂，半淹没整个汽车，总共用了9分25秒扑灭整个火灾，没有发生复燃。 第二辆不是淹没式灭火了，而是用直流水枪直接灭火。视频显示水枪灭火的效果要比淹没式好，速度更快。引火方式是把电池箱里面钻一个孔，灌注电解液，让它内部短路起火，电池包起火之后引燃内饰，整车全面燃烧并达到猛烈阶段后进行灭火。燃烧的时间是20分钟，20分钟以后开始灭火，这时已到了最猛烈的燃烧状态，接到指令后我们用时2分钟之内扑灭全部明火，持续冷却了5分钟，96小时没有再复燃。 左边的是无人机从天上拍摄的，右边的是手持摄像机拍摄的。用2个10毫米的直流水枪，还有2个15升背负式灭火器同时灭火，灭火的过程视频显示产生大量的白汽，实际上是水蒸汽。 总结一下，新型气凝胶灭火剂有4个方面的优点。冷却抗复燃能力强，可吸附消纳可燃气体，稳定性好，成本低，对环境比较友好。它未来有广阔的应用场景，如储能电站，新能源停车场，大型的油罐，还有森林草原的火灾。我们和军方正在联合研制气凝胶灭火弹，利用火箭炮发射平台，发射到空中，在森林火灾上空爆炸，形成气凝胶雨落下来灭火以及形成隔离带，气凝胶灭火弹目前在研制中。对于高层建筑的外立面火灾，高架仓库的火灾，气凝胶灭火剂未来都可以进行持续的开发研究。 第三个部分关于锂离子电池专用新型灭火技术的研究是储能站液氮抑爆灭火装备的开发。大家知道液氮具有快速降温，抑爆，全淹没的特点，抑爆灭火的能力特别突出。液氮灭火实际上在我们煤矿行业已经是非常成熟的技术，在上个世纪七80年代为抑制煤炭自燃，矿井下采掘完以后防止煤炭自燃，抑制瓦斯爆炸都得到了非常广泛的应用。 我们现在想能不能把液氮用到锂电池灭火领域来，液氮大的储存温度比较低，负196度，我们把液氮和现在市场上常用的灭火剂进行了全面的性能测试，测试过程就不说了，说一下结果。从测试结果来讲，现在市场上既有的灭火剂灭火的效能都不如液氮表现好，液氮在灭火能力评估当中我们设定了一些评估的指标，各项评估指标表现是最好的。 大家要考虑液氮有没有环保性。环保性大家不用担心，因为液氮本身就来自空气，它是工业副产品，来自于自然，回到自然，在环保上不存在问题。我们对液氮在工程应用方面进行了大量的实验，提出一些灭火的工程参数，通过一系列实验确定了在工程上应用液氮灭锂电池火灭火剂的投放量。 再有很多人担心液氮负196度在灭火的过程中会不会导致相邻的电池发生冷冻的伤害，我们就开展了液氮冷冻伤害的研究。研究结果证明液氮在灭火的过程中不影响相邻电池性能，没着火的电池仍然可以继续使用。 我们相继开发了4代液氮灭火的工程设备。从2015年我们提出理念，2016年开始灭火装备的研究，2018年产生第一代工程样机开始应用示范，一直到2024年产生第四代灭火装置，已经可以商用了。这是我们不同阶段研制液氮灭火的装备，这是我们在工程等级进行的灭火实验，实验结果表明液氮对抑制锂离子电池燃烧爆炸有非常好的灭火效果。 做了气凝胶灭火剂，为什么又做液氮？因为我们很多厂家担心气凝胶灭火剂毕竟是以水为基础的，担心会不会导电。实际上电池已经着火了，我们再喷射灭火剂灭火，电池已经烧了也是不能用的了，我觉得这个不是主要矛盾，能不能快速的冷却，能不能抑制复燃是主要的矛盾。而液氮，完美地满足了绝缘、冷却和抑制复燃的这三个指标。这是我们开展的大型实验研究，开发了整个液氮灭火系统，包括预警，报警，整个灭火实验的装置。 未来可以在中大型的储能站，工商业储能以及其他的领域液氮的开发潜力还是比较大的。 第四个方面给各位专家汇报一下我们在锂离子电池火灾测试方法与测试检验仪器方面开展的设备研究。我们国家颁布了电力储能锂离子电池检测的标准，上面三位老师也讲了关于UL的测试标准，国际电工委员会的储能电池标准，UL9640A等这些标准。基于这些标准我们中国矿业大学研制开发了一系列锂离子电池热失控测试仪器。这是电芯的测试仪器，这是模组的测试仪器，这是单元层级的大型仪器，我们的仪器可以从1兆瓦一直到20兆瓦火都可以制造和测试。 基于测试仪器和测试标准，中国矿业大学牵头制定了储能电站锂离子电池诱发火灾危险的测试方法这样一个团体标准，最后给各位领导简单汇报一下我们新能源火灾防控的研究团队，中国矿业大学。 矿大是一个老牌的学校，创建于1909年，是教育部应急管理部和交通运输部三方共建的高校，目前矿大是由两个A+学科，一个是安全科学工程，一个是矿业工程，这两个A+学科同时也是两个“双一流”学科。除了这两个A+学科之外，还有三个A-，一个是测绘，一个是地质，一个是土木。三个A－其中两个都是全国排名第三的。 我所在的学科叫安全科学与工程，在教育部第四轮、第五轮学科评估大家可以看到除了前三名矿大、科大和清华位次没有发生变化之外，从第4名到第8名一次学科评估都是此起彼伏，每次都发生上下变化，有的上去了，有的下来了。我们矿大安全科学工程一级学科在软科排名当中连续7年矿大都是排名第一的。基于安全科学工程一级学科，矿大开办了消防工程专业，目前矿大的消防工程专业也是全国的唯一一个所在的学科和专业都是A+的。 这是教育部网站里面能够找到的最早关于教育部批准中国矿业大学设立消防工程专业的批准文件，2000年矿大设立消防工程专业，也是全国普通高校里面最早设立消防工程专业的。消防工程专业目前是国家一流专业和A+专业，我们目前正在承担的项目包括国家重点研发计划，其中我承担了储能电站，新型高效灭火剂的研制课题，另外还有七本标准，涉及锂离子电池或者储能的7本标准。 这是我们新能源安全检测中心的外观图，这是我们检测中心的设备，都是自己研发的设备。可以开展锂离子电池热失控相关的研究，相关的测试。这是我们在实验室进行簇级的测试，目前实验室还没有烧到舱级，王老师讲的舱级代价太大，成本太高，我们烧不起，这是簇级的燃烧测试。 我们开展了电芯灭火性能的测试，这是中国矿业大学消防工程专业实践实习基地，图片展示的是在实验基地的厂房，8000平方米的厂房里进行灭火性能的测试。我们还开发了一系列液氮灭火装备从工程样机一直到现在的工业级的产品。 我今天给各位专家汇报到这，不当之处请各位专家批评指正，谢谢大家！