國內(nèi)儲能電池安全風險

• 陳博 2023年10月30日 來源：中研網(wǎng) 1060 67
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熱失控是造成儲能電池火災(zāi)的主要因素。以磷酸鐵鋰電池為例，其正極材料為磷酸鐵鋰，其化學屬性較穩(wěn)定，熱失控情況下磷酸鐵鋰在700~800°C時發(fā)生分解并可能發(fā)生燃燒。同時，鋰離子電池中的電解液是用有機溶劑配制而成，其易燃的程度不亞于汽油。正極的氧化劑和負

儲能電池，是用于儲存電能的電池系統(tǒng)。它們能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為化學能，將電荷存儲在電池中，然后在需要時釋放出來。儲能電池通常設(shè)計用于長時間的能量儲存和充放電，例如在電網(wǎng)調(diào)度、峰值負荷削減和電能管理等方面發(fā)揮重要作用。儲能電池的關(guān)鍵特點是高容量、長循環(huán)壽命和穩(wěn)定的性能。

儲能電池被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)儲能、家庭儲能、工商業(yè)儲能、通信基站等領(lǐng)域，儲能電池的設(shè)計要求主要針對能量密度和長期儲存進行優(yōu)化，以滿足對大容量和持久儲能的需求。由于儲能電池絕大多數(shù)儲能裝置無需移動，因此儲能鋰電池對于能量密度并沒有直接的要求；不同的儲能場景對功率密度有不同的要求；電池材料方面，注意膨脹率、能量密度、電極材料性能均勻性等，以追求整個儲能設(shè)備的長壽命和低成本。

儲能電池系統(tǒng)主要由電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）、儲能變流器（PCS）以及其他電氣設(shè)備構(gòu)成。儲能系統(tǒng)的成本構(gòu)成中，電池是儲能系統(tǒng)*重要的組成部分，成本占比60%；其次是儲能逆變器，占比20%，EMS（能量管理系統(tǒng)）成本占比10%，BMS（電池管理系統(tǒng)）成本占比5%，其他為5%。

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一、熱失控風險

熱失控是造成儲能電池火災(zāi)的主要因素。以磷酸鐵鋰電池為例，其正極材料為磷酸鐵鋰，其化學屬性較穩(wěn)定，熱失控情況下磷酸鐵鋰在700~800°C時發(fā)生分解并可能發(fā)生燃燒。同時，鋰離子電池中的電解液是用有機溶劑配制而成，其易燃的程度不亞于汽油。正極的氧化劑和負極的還原劑只隔一層微米級厚的隔膜，內(nèi)部短路則劇烈生熱；正常的充放電時，電池內(nèi)阻也產(chǎn)生發(fā)熱。

1、熱失控的引發(fā)原因

電化學電池以不可控制的方式通過自加熱升高其溫度的事故即為熱失控。目前，多個標準中都有針對熱失控的定義,見下圖：

通過對不同標準中熱失控的定義對比發(fā)現(xiàn)，熱失控更多是被描述為：電池內(nèi)部發(fā)生不可控溫升的現(xiàn)象。

在電芯的實際使用過程中，其材料可逆容量、SEI阻抗、電解液組分、結(jié)構(gòu)件物理指標等是一個動態(tài)變化過程，直接影響電芯充放電曲線、內(nèi)阻等動態(tài)變化。如果電芯的實際使用條件（如溫度限值、電壓限值、電流值等）沒有動態(tài)調(diào)整與之匹配，從而造成電芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)加速損傷以及引發(fā)部分關(guān)鍵原材料加速失效的情況，稱之為電芯濫用。濫用經(jīng)常會最終導致電芯安全失效，即熱失控。

熱失控現(xiàn)象的產(chǎn)生原因可以分為兩類：內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要指在電池設(shè)計及制造過程中產(chǎn)生的原因；外因主要指在電池運輸、安裝及運行維護過程中由于人員、外部條件等導致的原因。分類概括如下

2、熱失控擴散的引發(fā)原因

熱失控電池產(chǎn)生的熱量高于它可以消散的熱量時，熱量進一步積累，可能導致火災(zāi)，爆炸和氣體釋放。如果電池系統(tǒng)中，由于一個電芯產(chǎn)生熱失控而引發(fā)其他電芯熱失控，即為熱失控擴散。

電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控擴散最直接的誘因，包括發(fā)生熱失控的電芯對其周圍其他電芯的能量傳導（包括熱能、電能、機械能等）以及噴出物起火等。

（1）能量傳導

1） 熱能傳導：當電池發(fā)生熱失控時，通過電池正面接觸而產(chǎn)生的側(cè)向加熱非常劇烈，導致被加熱電池內(nèi)部在厚度方向上溫度梯度變大，由于電池前端面溫度達到熱失控觸發(fā)溫度進而產(chǎn)生熱失控擴散。

2）電能傳導：某一電芯單體熱失控與隔膜大面積收縮造成內(nèi)部短路，這兩者可互為因果關(guān)系，最終都會造成發(fā)生熱失控的電芯能量迅速下降。在電池模塊并聯(lián)單元中，其他電芯會向發(fā)生熱失控的電芯放電，導致發(fā)生熱失控的電芯溫度升高更多，同時，靠近已發(fā)生熱失控單體的電芯將比遠端電芯以更大功率放電，導致其溫度迅速升高，從而促進熱失控的擴散。

3）機械能傳導：某一電芯單體發(fā)生熱失控，可能會對模組機械結(jié)構(gòu)造成影響，或者其發(fā)生爆炸造成瞬間大量能量釋放，對其周邊的電芯也會造成一定程度的機械損傷，而這些機械損傷將增加其周邊電芯發(fā)生失效的風險，嚴重時可直接導致其周邊電芯發(fā)生熱失控。

（2）噴出物起火

電池發(fā)生熱失控時會噴出高溫氣體和顆?；旌衔铮@些氣體具有可燃性，極易發(fā)生火災(zāi)，這些高溫噴出物以及噴出物燃燒產(chǎn)生的火焰會加熱周圍電池，從而加速熱失控擴散的進程。

在電池系統(tǒng)發(fā)生熱失控擴散過程中，上述多種誘因通常會同時發(fā)生作用。

二、熱管理系統(tǒng)設(shè)計缺陷風險

儲能熱管理系統(tǒng)設(shè)計存在缺陷，這將造成不同溫度區(qū)域的電池性能衰減速度不相同，并直接造成性能衰減快的電池逐步出現(xiàn)安全隱患。

三、安全防護設(shè)計缺失風險

電池本體因素是儲能安全的核心，其誘發(fā)安全事故的來源主要包括電池制造過程的瑕疵及電池老化帶來的儲能系統(tǒng)安全性退化兩方面。目前的儲能鋰電池系統(tǒng)缺乏內(nèi)部可控的安全設(shè)計，一旦某個電池出現(xiàn)熱失控，很容易導致電池系統(tǒng)的整體失控。因此，鋰電池應(yīng)用于電力儲能，還需要較大的技術(shù)突破，以解決安全和壽命問題。

安全預(yù)警的時效性不高，有明顯的滯后性，當發(fā)現(xiàn)異常時，熱失控反應(yīng)往往已經(jīng)開始。安全防護措施缺失，沒有將熱失控控制在一個有限的范圍內(nèi)。一個電池熱失控后會在短時間蔓延，讓整個系統(tǒng)燒毀。消防安全措施針對性不強，95%的消防使用的是七氟丙烷，但這僅對消滅小范圍明火有效，在復燃或大面積燃燒時，并沒有效果。

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