国内储能电池安全风险

• 陈博 2023年10月30日 来源：中研网 1060 67
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热失控是造成储能电池火灾的主要因素。以磷酸铁锂电池为例，其正极材料为磷酸铁锂，其化学属性较稳定，热失控情况下磷酸铁锂在700~800°C时发生分解并可能发生燃烧。同时，锂离子电池中的电解液是用有机溶剂配制而成，其易燃的程度不亚于汽油。正极的氧化剂和负

储能电池，是用于储存电能的电池系统。它们能够将电能转化为化学能，将电荷存储在电池中，然后在需要时释放出来。储能电池通常设计用于长时间的能量储存和充放电，例如在电网调度、峰值负荷削减和电能管理等方面发挥重要作用。储能电池的关键特点是高容量、长循环寿命和稳定的性能。

储能电池被广泛应用于电网储能、家庭储能、工商业储能、通信基站等领域，储能电池的设计要求主要针对能量密度和长期储存进行优化，以满足对大容量和持久储能的需求。由于储能电池绝大多数储能装置无需移动，因此储能锂电池对于能量密度并没有直接的要求；不同的储能场景对功率密度有不同的要求；电池材料方面，注意膨胀率、能量密度、电极材料性能均匀性等，以追求整个储能设备的长寿命和低成本。

储能电池系统主要由电池组、电池管理系统（BMS）、能量管理系统（EMS）、储能变流器（PCS）以及其他电气设备构成。储能系统的成本构成中，电池是储能系统*重要的组成部分，成本占比60%；其次是储能逆变器，占比20%，EMS（能量管理系统）成本占比10%，BMS（电池管理系统）成本占比5%，其他为5%。

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一、热失控风险

热失控是造成储能电池火灾的主要因素。以磷酸铁锂电池为例，其正极材料为磷酸铁锂，其化学属性较稳定，热失控情况下磷酸铁锂在700~800°C时发生分解并可能发生燃烧。同时，锂离子电池中的电解液是用有机溶剂配制而成，其易燃的程度不亚于汽油。正极的氧化剂和负极的还原剂只隔一层微米级厚的隔膜，内部短路则剧烈生热；正常的充放电时，电池内阻也产生发热。

1、热失控的引发原因

电化学电池以不可控制的方式通过自加热升高其温度的事故即为热失控。目前，多个标准中都有针对热失控的定义,见下图：

通过对不同标准中热失控的定义对比发现，热失控更多是被描述为：电池内部发生不可控温升的现象。

在电芯的实际使用过程中，其材料可逆容量、SEI阻抗、电解液组分、结构件物理指标等是一个动态变化过程，直接影响电芯充放电曲线、内阻等动态变化。如果电芯的实际使用条件（如温度限值、电压限值、电流值等）没有动态调整与之匹配，从而造成电芯内部结构加速损伤以及引发部分关键原材料加速失效的情况，称之为电芯滥用。滥用经常会最终导致电芯安全失效，即热失控。

热失控现象的产生原因可以分为两类：内因和外因。内因主要指在电池设计及制造过程中产生的原因；外因主要指在电池运输、安装及运行维护过程中由于人员、外部条件等导致的原因。分类概括如下

2、热失控扩散的引发原因

热失控电池产生的热量高于它可以消散的热量时，热量进一步积累，可能导致火灾，爆炸和气体释放。如果电池系统中，由于一个电芯产生热失控而引发其他电芯热失控，即为热失控扩散。

电池系统发生热失控扩散最直接的诱因，包括发生热失控的电芯对其周围其他电芯的能量传导（包括热能、电能、机械能等）以及喷出物起火等。

（1）能量传导

1） 热能传导：当电池发生热失控时，通过电池正面接触而产生的侧向加热非常剧烈，导致被加热电池内部在厚度方向上温度梯度变大，由于电池前端面温度达到热失控触发温度进而产生热失控扩散。

2）电能传导：某一电芯单体热失控与隔膜大面积收缩造成内部短路，这两者可互为因果关系，最终都会造成发生热失控的电芯能量迅速下降。在电池模块并联单元中，其他电芯会向发生热失控的电芯放电，导致发生热失控的电芯温度升高更多，同时，靠近已发生热失控单体的电芯将比远端电芯以更大功率放电，导致其温度迅速升高，从而促进热失控的扩散。

3）机械能传导：某一电芯单体发生热失控，可能会对模组机械结构造成影响，或者其发生爆炸造成瞬间大量能量释放，对其周边的电芯也会造成一定程度的机械损伤，而这些机械损伤将增加其周边电芯发生失效的风险，严重时可直接导致其周边电芯发生热失控。

（2）喷出物起火

电池发生热失控时会喷出高温气体和颗粒混合物，这些气体具有可燃性，极易发生火灾，这些高温喷出物以及喷出物燃烧产生的火焰会加热周围电池，从而加速热失控扩散的进程。

在电池系统发生热失控扩散过程中，上述多种诱因通常会同时发生作用。

二、热管理系统设计缺陷风险

储能热管理系统设计存在缺陷，这将造成不同温度区域的电池性能衰减速度不相同，并直接造成性能衰减快的电池逐步出现安全隐患。

三、安全防护设计缺失风险

电池本体因素是储能安全的核心，其诱发安全事故的来源主要包括电池制造过程的瑕疵及电池老化带来的储能系统安全性退化两方面。目前的储能锂电池系统缺乏内部可控的安全设计，一旦某个电池出现热失控，很容易导致电池系统的整体失控。因此，锂电池应用于电力储能，还需要较大的技术突破，以解决安全和寿命问题。

安全预警的时效性不高，有明显的滞后性，当发现异常时，热失控反应往往已经开始。安全防护措施缺失，没有将热失控控制在一个有限的范围内。一个电池热失控后会在短时间蔓延，让整个系统烧毁。消防安全措施针对性不强，95%的消防使用的是七氟丙烷，但这仅对消灭小范围明火有效，在复燃或大面积燃烧时，并没有效果。

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