锂离子储能电池安全防控技术研究现状及发展趋势

1.概述

2017年9月，我国储能产业首个国家级政策《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》正式印发，2019年6月，四部委联合发布《贯彻落实〈关于促进储能技术与产业发展的指导意见〉2019—2020年行动计划》，进一步提出“从技术研发和智能制造、落实技术与产业发展政策、推进示范应用、推进动力电池储能化应用、推进储能标准化建设等方面落实相关工作。”2019年2月18日，国家电网公司办公厅印发《关于促进电化学储能健康有序发展的指导意见》，将储能技术在电力系统应用领域统一表述为电源侧、用户侧及电网侧应用，促进了电化学储能的规模化应用。得益于政策的支持、技术的迅猛发展和应用成本的快速下降，目前锂离子电池在众多电化学储能技术中的占比已超过85%。

据CNESA统计，截至2018年年底，全球已投运的电化学储能项目的累计装机容量达到6625.4MW，同比增长126%，我国已投运的电化学储能项目的累计装机容量达到为1072.7MW，同比增长175%。预计到2019年年底，电化学储能累计装机量将达到1.92GW，年增速为89%，而且随着市场机制和政策的逐步完善，2022年电化学储能装机容量将超过10GW，并继续保持规模化发展的趋势。

锂离子储能电池的大规模应用，有效提升了可再生能源的消纳能力，对于保障电网安全稳定运行也做出了突出贡献。然而，从目前的应用效果来看，锂离子电池储能存在着一个突出的问题，即当储能系统内部的某个电池出现安全问题后极易形成系统性火灾。如2017年3月7日，山西某厂区9MW储能AGC项目1^#锂离子电池集装箱发生火灾，历时9个小时火灾才被扑灭，集装箱内电池全部烧毁；2017年12月22日，该项目2^#锂离子电池集装箱再次发生火灾，并伴有爆炸次生灾害发生。2018年8月，南方某用户侧储能项目，厂家进行整机调试时，储能电站中一个磷酸铁锂电池集装箱发生火灾，致使整个集装箱全部烧毁。除了我国外，韩国自2017年到目前已经发生了23起集装箱储能系统火灾，美国、希腊、加拿大等国也发生了多起大规模锂离子电池储能系统火灾。从国内外发生的储能系统火灾可以看出，储能系统的安全事故，往往都是由于在预警缺失或滞后的情况下，电池自身热失控或是BMS故障起火并引燃电池而引发的，由于缺乏有效的安全防护措施，电池的初期火灾迅速蔓延，而现有的消防措施并非是针对电池火灾而配置的，因此，电池初期火灾无法得到有效抑制，最终演变为大规模火灾，导致整个储能集装箱或储能电站烧毁。

2.锂离子储能电池安全防控技术研究现状

锂离子电池不是本征安全体系，随着锂离子电池的大量使用，如果在使用过程中缺乏有效的安全防护措施，发生安全性事故将是偶然中的必然。但电池安全性问题是可治可防的，首先是从电池生产工艺控制方面提升电池本体的安全性，其次必须发展电池应用过程的多级安全防控体系，保障电池使用过程中的安全性。针对锂离子储能电池的安全防控技术主要有三个：

（1）锂离子电池预警技术

在锂离子电池安全预警技术方面，美国桑迪亚国家实验室、可再生能源实验室、NASA及我国的清华大学等单位开展了长期的研究工作。由于内短路是锂离子电池发生热失控的共性诱因，因此，其被认为可以作为热失控预警的有效参量。在对引发热失控的共性诱因——内短路进行辨识的方法主要有：

1）通过参数比较的方法检测内短路，将测得的电池电压、温度等信号与模型值进行比较来检测内短路。

2）通过检测非正常的电压下降现象或者电压突降-回升现象来判断内短路的发生。

3）通过检测电池的自放电电流来检测内短路，不同程度的内短路对应不同大小的自放电电流。

4）基于电池的一致性进行判断，当某些特征参数存在较大的一致性差异时，就可检测出内短路。

第一类检测方法的检测机理较为简单，但是存在的问题是需要一个准确度较高的模型来得到各参数的理论值，理论值的准确度将直接影响内短路的检测效果，如果理论值不准确则可能导致内短路的漏报或者误报。第二种方法只适用于电池单体，且需要高采样频率的电压传感器来检测电压的突降-回升现象。第三种方法仅适用于电池单体的内短路检测，且需要一个极高精度的电流传感器和恒压装置。第四种方法仅适用于串联电池模组，模组中串联单体数量越多，内短路检测效果越好。前三种内短路检测方式目前尚未在真实样机上开展验证。此外，美国可再生能源实验室等研究机构开始探索电、热、气、力等多传感器融合技术，尝试在储能系统上开展应用，并取得了初步的成果。

（2）锂离子电池防护技术

锂离子电池是一种化学电源，受温度影响明显，当储能系统中某电池发生热失控时，如果没有有效的防护措施，则极易诱发其他电池产生热失控连锁反应。目前，对于如何防止储能电池发生连锁反应的研究还处于探索阶段，可供参考的文献、报告资料等都比较少。但在电动汽车领域，国内外的知名车企、科研院所对于动力电池及电池包在如何防止热失控连锁反应进行了大量的研究和尝试，这些研究成果和应用案例对于储能电池同样具有重要的参考价值和借鉴意义。

特斯拉汽车有限公司为了防止18650型三元电池的热失控蔓延，使用了“防火板”技术，“防火板”采用的是耐高温、低热导率的阻燃材料以及热膨胀材料，通过阻燃隔热和膨胀吸热起到热隔离的作用，其中使用的阻燃材料是基于氧化铝的织物、芳纶纸和玻璃纤维等；厦门金龙客车某款型号的纯电动汽车动力电池防火应用方案，采用纳米陶瓷材料作为阻燃防火材料，布置在电池包周围，可以抵挡锂离子电池燃烧30min以上；启晨碳材料有限公司开发了一种电动汽车电池用耐高温阻燃防护装置，由碳纤维网和碳布构成，可以抑制燃烧扩展，甚至使其自熄，避免因电池起火或爆炸对人员造成的伤害。

以上案例中使用的阻燃材料各不相同，针对的都是容量较小的三元动力电池，而锂离子储能电池容量大，使用数量多，发生热失控后释放的能量更大，因此对阻燃材料和防护技术有更高的要求。

中国电力科学研究院有限公司以EPDM为主体，加入功能添加剂，制备了高性能阻燃隔热材料，进而开展了含阻燃材料的电池组热仿真与结构设计，并在锂离子储能电池模块中进行了实验验证，结果表明该方式兼具热防护与散热功能，并能有效抑制电池热失控蔓延。

（3）锂离子电池消防技术

当电池发生燃烧后，需要迅速实施有效的消防灭火措施，避免发生系统性火灾，并且能够彻底灭火，避免复燃引发二次火灾。美国和欧洲是最早开展锂离子电池火灾灭火技术研究的国家和地区，主要是针对电池运输和贮存过程中如何抑制热失控以及燃烧爆炸的研究。早期研究的对象主要是在消防领域广泛应用的哈龙灭火剂、水及水基灭火剂等灭火介质，由于卤代烷灭火剂对臭氧层具有破坏作用，目前哈龙灭火剂在多个国家被禁止使用，而水系灭火则存在耗水量大以及灭火后产生氯化物和氟化物的危险。因此目前研究的热点主要集中在新型的哈龙替代灭火剂（七氟丙烷、Novec 1230等）上，美国消防协会（NFPA）和美国联邦航空局（FAA）近期的研究结果表明，七氟丙烷的灭火效率明显优于二氧化碳和超细干粉，后两者难以抑制电池的热失控反应。Novec 1230具有良好的吸热特性，可以通过对发生火灾的电池进行降温达到灭火的效果。但其沸点为49.2℃，容易气化，无法对发生火灾的电池持续地进行降温，因此，对于电池复燃的抑制效果有限。

中国电力科学研究院有限公司针对锂离子电池火灾开发了专用灭火剂和灭火技术，研制了锂离子电池储能系统自动灭火装置。该灭火装置采用自主研发的气液复合灭火剂，根据不同类型的电池采取不同的灭火策略，具有智能判定、自动起动功能，能够快速扑灭明火，不复燃，同时还具有成本低，对其他设施无损害和环境影响小的优点。该灭火装置已经通过了国家消防装备质量监督检验中心组织的产品检验，在产品检验中，灭火装置的自动响应时间仅为0.5s，在3.5s内就能扑灭电池明火，且24h内电池没有复燃，表明该装置具备了优良的灭火和抑制复燃的性能。

3.锂离子储能电池安全防控技术的发展趋势

目前在锂离子储能电池安全防控体系的建设方面存在技术不完善、标准缺失、政策不健全等问题，未来发展趋势将主要集中在以下几方面：

（1）加快标准体系建设

目前国内与锂离子储能电池安全相关的标准主要有《电化学储能电站设计规范》（GB51048—2014）、《电化学储能电站技术导则》（Q/GDW10769—2017）、《电力储能用锂离子电池》（GB/T36276—2018）等，缺乏对于电池火灾的预警、防护和消防的具体标准，造成目前已有的和在建的储能电站在施工建设、验收调试、运行维护等诸多环节无法形成有效的安全消防管理和检验认证，因此必须加快建设相关标准体系。

（2）开发高效可靠的安全预警技术

安全预警的滞后或缺失，是导致电池安全事故发生的重要因素。除了加强监测管理，增强对异常信号（过电压、过电流、短路和温度升高等）的捕捉能力外，发展基于大数据对电池健康状态的监测技术，建立电池故障预判机制将是锂离子电池安全预警的重要发展方向。

（3）开发储能应用场景的防火灾蔓延技术

目前开发的电池防护技术主要针对电动汽车领域，不能完全适用于储能应用场景。储能应用场景下电池容量相对较大，发生热失控后释放的能量更大，且电池使用数量相对更多，如若发生连锁反应，极易产生爆燃甚至爆炸，因此如何选择合适的阻燃材料和防护技术，并兼顾热管理是需要解决的关键问题。

（4）开发电池火灾专用灭火技术

目前的研究结果表明传统的消防灭火技术无法彻底扑灭锂离子电池火灾，必须开发锂离子储能电池火灾专用灭火技术，并满足如下特点：具备良好吸热特性和绝缘性能的电池火灾专用灭火介质；与电池火灾特性匹配的灭火技术；良好的灭火效果；长时间（24h）抑制复燃；减少对其他未起火电池和电气设备的损害；成本低，无二次污染，环境友好。

4.展望

安全事故频发对锂离子储能电池的大规模应用提出了严峻挑战。为保障储能系统安全稳定运行，需要在储能系统的设计、控制、应用中提高安全因素所占的比例，大力开展锂离子储能电池预警、防护及消防技术研究，将安全防控融入储能系统设计之中，体现一体化安全设计理念，并以此为基础研制新一代高安全性的锂离子电池储能系统，促进储能系统在配电网中的推广应用。

〔撰稿人：中国电力科学研究院有限公司杨凯〕