1近年事故统计分析

     锂离子电池储能安全一直是行业关注的热点，截至2021年4月，据不完全统计，全球总共发生了34起锂离子电池储能火灾事故。表1整理了近几年国内外发生的储能电站起火爆炸事件。

在此介绍几起典型的事故：

（1）山西某储能电站

2017年3月，山西某火力发电厂储能系统辅助机组AGC调频项目1#锂电池集装箱发生火灾，历时9个小时才将火灾扑灭。此次火灾共烧毁锂离子电池储能单元一个、储能锂电池包416个、电池管理系统包26个以及其他相关设施若干，图2为火灾现场概貌。

　　经过综合分析，起火点被定位于1号电池集装箱内东侧Rack11箱体内B+接线处与熔断器的排压接点固定螺栓处，起火原因为该处固定螺栓顶部对外壳持续放电产生高温引发火灾。

　　（2）美国APS公司电池储能系统

　　2019年4月，位于亚利桑纳州westvalley的公共服务公用事业公司（APS）发生大规模电池储能项目爆炸，在灭火过程中有8名消防队员有不同程度的受伤。该储能电站由27个电池簇组成，每个簇有14个LG电池模组（三元锂电池，725V126 Ah），总配置为2MW/2.47MWh储能系统。

　　调查报告显示，起火位置为某一个电池簇机架，监控系统检测到该簇电池模块上的电压有所下降，随后温度升高发生热失控并起火，但是由于系统结构设计的原因，火势并没有蔓延。这表明电池机架的布局可以有效地对热失控进行隔离，在消防人员打开大门并让大量氧气进入集装箱式储能系统之后发生爆炸。

　　（3）韩国27起储能电站事故

　　截至2019年6月，韩国工信部公布了之前23起储能电站火灾事故的调查结果。其中有14起发生在充电后，6起发生在放电过程中，3起在安装和施工过程中。调查结果表明，发生火灾事故主要有以下四方面原因：

　　1）电池系统缺陷：通过对电池的拆解分析，部分电池存在翻折和切断不良、活性物质涂层不良等缺陷；

　　2）电击保护系统不良：在外部电力冲击等测试过程中，电池保护装置内多数部件受损，电池保护装置内的直流接触器爆炸。对事故PCS检测过程中，发现内部交流过滤器有碳化痕迹，表面电池受到了电冲击，可能会引发火灾；

　　3）经营环境管理不足：安装在山区和沿海地区的储能系统，电池系统会暴露于大量灰尘和冷凝水的恶劣环境中，导致绝缘性能下降，并使电池发生内短路，最终可能引起火灾；

　　4）储能系统管理不善：在事故调查、企业面谈调查及试验实证过程中，EES的设计和运营未能将电池和PCS等部件统合为一，从系统的层面上进行管理和保护。

　　储能电池本征热失控是导致起火或爆炸的核心因素，但引起热失控的原因则不仅仅是电池本体制造的问题，也可能是由于长时间运行电池离散度增加而引起的过充或过放，也有可能是电源管理系统一致均衡功能较差导致电池的过充过放。

2 起火原因

　　锂离子电池内短路是导致热失控的主要原因。当锂离子电池处于机械滥用（如针刺、碰撞或坠落等）、电气滥用（如过充、过放或外短路等）、热滥用（过热、着火或高环境温度等）等情况下时，内部隔膜将会被破坏，导致锂离子电池正负极直接接触而发生内短路，从而产生过多的热量并进一步加剧副反应发生。

　　当锂离子电池处于滥用状态下时，其温度会超过正常工作范围，并且在此过程中伴随着活性物质的分解和相互反应，最终导致热失控。锂离子电池在高温下的内部化学反应过程十分复杂，如图5所示。随着温度的升高，可以将电池经历的过程分为以下几步：

　　（1）当温度低于69℃时，电池内部每种成分都仍处于热稳定状态；

（2）当温度升高到90℃至120℃时，固体电解质界面膜（SolidElectrolyte Interface，SEI）开始分解，阳极材料与电解液反应并产生大量热，同时有CO2的产生；

　　（3）当温度升高到130℃时，正负极间隔膜开始熔化并失效，导致电池内部正负极材料直接接触，从而发生了内短路和热失控。正极材料分解并与电解质反应释放出大量气体和热量；

　　（4）当温度超过200℃时，电解质就会燃烧，同时电池将有可能爆炸。当锂离子电池气阀打开，喷射出的可燃气体在遇到空气中充足的氧气后会被轻易点燃而剧烈燃烧，并可将燃烧行为分为六个阶段：电池膨胀、喷射火焰、稳定燃烧、第二次喷射火焰稳定燃烧、第三次喷射火焰稳定燃烧、灭火。

3国内外安全标准规范

3.1标准现状

　　为提高锂离子电池的安全性和可靠性，并减轻对热失控的担忧，许多国际标准组织和委员会，即国际标准化组织（ISO）和国际电工组织（IEC）制定并颁布了一些权威的测试规范来评估锂离子电池的安全性能。

　　（1）国际电工组织（IEC）

　　国际电工组织（IEC）开展储能相关标准制定工作的主要有储能技术委员会（IEC/TC120）、蓄电池和蓄电池组技术技术委员会（IEC/TC121）、碱性和非酸性蓄电池技术委员会（IEC/SC21A）。储能技术委员会成立于2012年，主要负责储能系统接入方面的相关问题，下设5个工作组：术语、单位参数、规划和安装、环境问题、安全事项。

　　（2）美国

　　针对锂离子电池储能系统的消防安全问题，美国相关机构和组织已从储能系统组件、储能系统整体、储能系统安装和储能系统建造环境安全4个层级进行了标准规范的制定工作。

　　在储能系统整体方面，美国保险商实验室（UL）于2018年发布了L9540A《电池储能系统内部热失控火灾蔓延的测试方法》，专门针对不同应用场所和规模的电池储能系统应用规定了相应的模拟场景和试验方法。同时正在编制、拟定即将发布的NFPA855《固定储能系统安装标准》，其涵盖了所有储能系统及其在建筑环境中安装的安全，内容包含适用于所有储能系统的一般安全、系统连接、调试、运行维护、退役等。

　　（1）澳大利亚

　　澳大利亚在2017年发布了《储能标准路线图》研究报告，确定了促进电池安全安装、连接、维护、运行和处置所需的标准。路线图重点针对小型商业和住宅级别上安装的独立存储系统，可为电网规模储能系统安装提供参考。

　　（2）欧盟

　　欧盟在2012-2015年实施了STALLION项目“大规模电池系统安全测试程序”和STABALID项目“固定安装锂离子电池安全部署”。其中，STALLION项目为大规模电网应用建立固定使用的锂离子电池提供安全测试的方法和程序；STABALID项目是促进单体电池容量大于10Ah、系统容量大于1MWh的固定安装锂离子电池系统的安全。两个项目密切合作，通过系统的风险识别，处理和验证在锂离子电池储能系统层面和生命全周期的危险缓解策略。

　　（3）中国

　　随着电力储能技术的快速发展，我国于2014年成立了全国电力储能标准委员会（SACTC 550），对口IEC/TC120。归口管理电力储能领域国家标准、行业标准和中电联团体标准。截至2019年底，SACTC550归口管理储能国家标准13项，见表2，涉及规划设计、设备及试验、施工及验收、并网及检测、运行与维护、评价等方面，其中10项发布、3项正在报批，构成了储能标准体系的核心部分。

　　同时，储能领域能源行业标准共有18项，其中9项已发布，5项正在报批，4项正在编制中。并且储能相关的团体标准共有42项，其中15项已发布，11项正在报批，16项正在编制。

3.2 标准需求

　　国际上针对锂离子储能系统的消防安全，在标准路线图和优先等级进行了规划，并对电池、组件、安装环境、电网连接、运行维护、回收等各个层级均在制定相应的技术要求。我国现有GB51048-2014《电化学储能电站设计规范》对锂离子电池储能系统的火灾危险性明显认识不足，而且储能锂离子电池标准也才刚发布，相应的消防标准体系尚未建立，锂离子电池储能电站的安装、运行、管理等过程的消防安全都无实际工程数据可依。因而下一步工作应结合我国锂离子电池储能系统实际应用场景和所存在的问题来抓紧编制相应的消防安全标准。

4关键技术

4.1高安全锂离子电池储能材料

　　在锂电池的热蔓延过程中，主要由于首节电池内部的SEI膜、电解液、正极和锂金属发生分解后产生并释放热量导致电池单体热失控。因而需要在以下几方面来提高锂离子电池本体的安全性：1）开发具有高耐热性的正极材料和能抑制锂枝晶堆积的负极材料；2）对高阻燃电解液进行研究，使其同时具备高的界面稳定性和电池库伦效率；3）通过对pack结构进行有效的机械设计来提高冷却系统的效率和可靠性，以此减小模块中电池单体之间的温度偏差，并提高电池工作环境的一致性。

4.2高精度电池异常预警装置

　　在锂离子电池发生热失控过程中，会产生一些异常现象，比如电压和电流异常、温度升高、气体产生等。因此，在不同的应用场景下通过测量或估算这些特征信号来监控初期的热失控是提高锂离子电池安全性的有效方法之一。目前可将监控和检测的方法分为以下几类：

　　（1）电池管理系统（BMS）

　　电池管理系统（BMS）是监视和检测锂离子电池热失控的最广泛应用方法。BMS主要是依靠内置的电压传感器和温度传感器作为测试工具，当安装的传感器数量足够多时，即可实时对pack中每个锂离子电池单体端电压和表面温度进行监控。一旦检测到异常信号，BMS即会触发报警。

　　（2）电压传感器

　　为准确检测每个锂离子电池单体的端电压，有研究人员提出了一种基于多电压传感器的交错电压拓扑测量方案。该方法设计了具有冗余性的锂离子电池电压传感器拓扑，然后应用智能算法，控制电路和准确的电压阈值来监视每个锂离子电池单元中电压异常现象。并能够在电池组内部直接定位到有故障的电池单元，这对于基于温度或气体成分的监控方法而言很难实现。

　　（3）温度传感器

　　温度是反映锂离子电池热失控最直接的参数，当前用于监测电池温度的传感器一般为热敏电阻或热电偶，然而这两类传感器检测精度都易受到环境变化的影响。

　　为提高表面温度的检测精度并提高利用表面温度数据监测热失控过程的可靠性，有研究人员选用了布拉格光纤传感器，其具有不受电磁干扰、重量轻和体积小、安装方便、耐腐蚀等优点。试验结果表明，与传统的热电偶温度传感器相比，布拉格光纤传感器具有更好的温度分辨率和更高的温度灵敏度，并且可以监测电池的表面温度和内部温度。当电池发生热失控时，电池内部的温度接近500℃，远高于电池表面的温度。研究人员将布拉格光纤传感器嵌入到锂离子电池内部，以此实现对内部温度和应力的监控，其原理是当温度和应力发生改变时，传感器的传播波长和折射率会发生相应的改变，

　　（4）电化学阻抗谱（EIS）法

       电化学阻抗谱法常用于表征锂离子电池内部的电化学行为。通过对EIS测试数据的分析，可以识别电池在不同充放电过程下的内部状态，并可以提取特征物理参数来评估电池性能。有研究人员提出了一种基于阻抗相移快速监测的锂离子电池热失控预警方法，利用具有高分辨率的SolartronSI1287 电化学阻抗仪和SolartronSI1250 频率响应仪来实时监控电池内部阻抗，通过内部阻抗相位的变化来实时预警电池故障。

　　（5）超声波检测方法

　　超声波检测技术作为一种无损表征方法，具有灵敏度高、成本低、使用方便、检测速度快等优势。其原理是声波在电池内部传导并与电极材料发生相互作用，从而获得电极材料的物理信息。通过超声波技术能够实现对锂离子电池电解液产气、电解液浸润状况、负极析锂分布、荷电状态和健康状态等内部结构特征变化的监控[15]。

　　（6）气体探测器

　　在锂离子电池热失控早期，电池温度、放电电压、放电电流等特征识别参数的变化都非常缓慢，BMS无法及早地监测到电池的故障信号，但此时内部电化学反应已有大量的气体物质产生，因此采用气体传感器有望实现锂离子电池热失控的早期预警。

4.3高稳定热失控隔离材料

　　当锂离子电池发生热失控时，通常会有大量的烟雾、可燃电解质气体和热量释放，导致封装材料的燃烧和破坏。可通过在电池间放置高热阻材料来提高被动安全性。还可在电池表面涂膨胀材料层来抑制热失控传播。同时为了防止相邻电池之间发生连锁热失控反应，提出了在电池之间插入热障材料，其可由导热系数很小的物质组成（如二氧化硅、氮化硅等），能够有效地起到热隔离保护作用，抑制电池间的热传递，最终切断电池热失控的连锁反应。

4.4高效消防介质及消防装置

　　表3为不同灭火剂的灭火原理及优缺点。在各类灭火介质中，水是最便宜且应用最广泛的灭火剂。但在储能预制舱灭火实验中，水灭火过程需要持续至少20分钟。同时水在灭火过程中会与电池的LiPF6反应，产生大量的HF，对人体造成严重危害。此外，水作为一种导体介质，可能会导致电池系统发生外部短路，进一步加剧锂离子电池的热失控。

　　目前国内外储能电站预制舱的消防灭火措施都依据日本规范《电力贮存用电池规程》，采用全淹没的气体灭火系统，灭火介质为七氟丙烷。然而，七氟丙烷对于锂离子电池储能系统火灾的灭火效果未得到有效的验证。在众多研究机构的试验证明下，发现卤代烷1301、CO2、七氟丙烷等灭火介质只能扑灭明火，但是无法从根本上抑制火灾的发生，不具备降温和灭火的双重功能，在灭火后会出现复燃现象。

　　采用新型脉冲式热气溶胶自动灭火系统，就是在火灾未形成或者火灾刚发生时，通过专利气溶胶技术隔离、稀释阻燃剂并抑制链式反应，可快速消灭火源，防止火灾扩散，，从而将火灾影响降低到最低限度，

5总结

　　锂离子电池储能系统新型安全防控灭火技术及装备的研发和一系列安全防护技术规范与标准建立，不仅有利于解决目前储能系统因安全所引发的一系列问题，同时也为锂离子电池储能系统在高弹性电网中的大规模工程化应用提供必要的技术保障。

　　（1）建立锂离子电池储能系统研发及应用全流程机制。从电池本体材料出发，针对性地开发出高安全稳定的正负极材料及高阻燃电解液，确保储能系统的安全。同时，在储能电站建设方面，进一步完善从设备选型、入网检测、设备抽检、施工验收、运行维护、检修试验到电池退役的全过程质量安全防控体系，严把质量关，提升储能电站本质安全水平。

　　（2）推进储能标准化体系建设工作。目前锂离子电池储能系统在安全技术方面尚无有关标准加以引导，后续需开展储能电站安全技术导则、储能电站应急预案编制导则及储能电站安全设计规范等标准的制定工作。

　　（3）开展新型消防体系建设及消防技术研发工作。基于锂离子电池火灾的特点及其消防灭火需求，研发出高精度的电池热失控故障预警装置与高稳定性的隔离材料，建立科学合理的消防测试模型及技术规范，设计开发出针对性的专用灭火剂及热气熔胶装置，为锂离子电池储能系统大规模应用提供必要的技术保障。

　　（4）建立储能全过程技术监督体系。加强储能电站设备的技术监督工作，完善技术监督制度标准，做好技术监督工作考评，保障技术监督闭环管理制度，提升锂离子电池储能电站的全周期安全。