每日看點!韓國鋰離子電池儲能電站安全事故的分析及思考

摘 要：安全性是鋰離子電池儲能系統的重要議題，探究鋰電池儲能系統安全事故成因，開展儲能系統安全狀態的評價與早期預警及事故風險的管控與防護等研究具有重要意義。本文立足于韓國公開的其國內近期發生的鋰電儲能系統安全事故調查報告，對電池本體、外部激源、運行環境及管理系統等引致安全事故的因素進行了分析，梳理了四類因素作用下電池及系統安全事故的觸發及演化規律，探討了四類因素間的相互影響機制，總結經驗教訓的同時提出了鋰電儲能系統安全管理的發展方向。

關鍵詞：鋰離子電池；儲能系統；安全事故；熱失控；早期預警

儲能系統(energy storage systems，ESS)是現代電力系統及智能電網的重要組成部分，也是實現可再生能源并網消納及分布式發電高效利用的重要環節。隨著電池技術的不斷進步及其成本的降低，以鋰離子電池為主的電化學儲能系統近年來得到了迅速發展及工程應用。相比鉛酸、鈉硫等電池儲能系統(battery energy storage systems，BESS)而言，鋰離子電池儲能系統具有能量密度高、轉換效率高、自放電率低、使用壽命長等優勢。然而，鋰離子電池采用沸點低、易燃的有機電解液，且材料體系熱值高，在電池本體或電氣設備等發生故障后，易觸發電池材料的放熱副反應，引致電池熱失控，進而可能演化成儲能系統燃燒爆炸等重大安全事故。國內外鋰電池儲能的工程應用中均有火災事故發生，造成了嚴重的經濟損失及社會影響。安全問題已逐漸成為鋰電池儲能電站建設及大規模應用的首要問題，探究鋰電池儲能系統安全事故成因，開展儲能系統安全狀態的評價與早期預警及事故風險的管控與防護等研究具有重要意義。

1 韓國鋰電儲能電站安全事故概述

近三年來，國內外鋰電池儲能系統裝機增長迅速，據中關村儲能產業技術聯盟(China Energy Storage Alliance，CNESA)統計，僅2017—2018年間電化學儲能裝機由2926.6 GW增長至6625.4 GW，年增幅126.4%。其中，韓國鋰電儲能在其可再生能源證書獎勵政策激勵之下迅速發展，2018年全球新增電化學儲能裝機中，韓國幾乎占據全球45%。然而，韓國儲能電站發生火災安全事故的數量和比率也處于全球首位。2017—2019年期間，報道的韓國儲能電站事故已近30起。對此，韓國組織相關電池廠家及研究機構對2019年6月前其境內23起儲能安全事故開展了調查及分析，表1匯總了2019年6月前韓國儲能事故情況。

表1 2017年8月—2019年6月韓國儲能電站事故

在相關事故的調研及驗證性測試中，調查團隊將儲能電站事故致因總結為以下四個方面：電池系統缺陷、應對電氣故障的保護系統不周、運營環境管理不足、儲能系統綜合管理體系欠缺。其中，電池內部及成組問題、外部電氣故障、電池保護裝置(直流接觸器爆炸)、水分/粉塵/鹽水等造成的接觸電阻增大及絕緣性能下降等問題將可能直接誘發電池熱失控。而電池管理系統(battery management systems，BMS)、儲能變流器(power conversion systems，PCS)、能量管理系統(energy management systems，EMS)之間信息共享不完備或不及時，PCS和電池之間的保護配置與協調不當、PCS故障修理后電池的異常、測量裝置及管理系統之間發生沖突等系統管理問題，則可能使故障不能及時有效地得到管控而演化為事故。

在電池本體安全性方面，該調研報告中對模擬制作的極片折疊和切割不良電池進行充放電測試，在約180次循環過程中未發生能夠導致起火的電池內部短路問題，未明確提出電池內部故障是否能觸發安全事故演化。然而，從事故觸發階段的統計結果來看，充電后等待階段的事故發生占比超過60%，如圖1所示。

圖1 2017年8月—2019年6月韓國鋰電池儲能電站事故發生階段統計圖

在充電后等待階段中，系統通常處于斷路狀態，外部電氣故障等外部激源觸發電池熱失控的概率將顯著降低。同時，該階段中電池本體通常處于高SOC狀態，一方面更易受外部濫用觸發熱失控，另一方面電池可能存在局部過充問題，由電池本體引發的系統安全事故概率將顯著上升。事實上，韓國在2019年8月至12月間又新增5起儲能電站事故，后續報道指出所有的5個BESS的電池都處在高SOC狀態(>90%)下，電池逐漸過熱引起起火，由電池本體觸發儲能系統安全事故的可能性極大。

一般而言，鋰離子電池本體需要工作于適宜的電壓、電流、溫度及SOC等參數的安全窗口內。國內外學者已對鋰電池本體故障及安全演化機理進行了深入研究[]，認為過充、過放、過電流、過熱等濫用行為以及電池內部短路是導致電池安全狀態演化至熱失控的直接原因。儲能系統作為一個整體，觸發上述濫用過程的原因復雜且相互交叉，需要從系統層面進行分析[6]。結合韓國儲能事故調查報告，我們圍繞電池本體濫用機制，對報告所提四個方面因素進行了歸納和梳理，旨在從系統層面厘清鋰電池儲能電站安全觸發及演化機制，為系統安全性評價與早期預警及安全風險的管控等提供依據。

2 鋰電池儲能系統安全事故演化分析

儲能安全問題是系統性問題，事故的發生往往由多因素交互作用演化發展，最終導致電池濫用及熱失控的發生。借鑒韓國儲能事故報告對安全誘因的分類，本文將安全事故成因劃分為電池本體、外部激源、運行環境及管理系統四類，并討論四類誘發因素的相互作用機制及對電池濫用和失控過程的觸發機制。圖2歸納了四類誘發因素交互及濫用觸發關系。

圖2 鋰電池儲能系統安全事故誘發因素及其交互關系

2.1 電池本體因素

由電池本體誘發安全事故的來源主要包括電池制造過程的瑕疵以及電池老化帶來的儲能系統安全性退化兩方面。

電池在生產制造過程中，存在涂布過程金屬污染物顆?；烊?、正負極流體邊緣毛刺等概率。雖然韓國儲能事故調查中對該類問題進行了驗證性測試，指出180次循環內未發現電池故障，但受循環次數和循環工況的限制，該結果的得出未考慮毛刺、顆粒隨電池老化而發生形態演化問題。研究表明，Fe、Ni等金屬顆粒污染物混入電池內后，會隨著電池老化的進行逐漸分解并沉積在負極表面，形成枝晶并逐漸演化為微內短路。由于Fe、Ni等金屬熔點遠高于Li，形成的微內短路不像鋰枝晶會熔融消退，而是逐漸擴展為硬短路，導致隔膜結構破壞及熱失控的發生，其危害甚至高于鋰枝晶生長造成的內短路。

關于鋰離子電池的老化過程性能變化，理論研究已經定性揭示了這個過程：在鋰離子電池運行過程中，副反應會導致電池的陽極和陰極都發生老化。對碳基陽極來說會產生一層SEI(固體電解質界面)膜，SEI 膜對電池正常運行有益且必要，但電解質分解產生的副反應會導致電池性能衰退。老化過程中SEI膜因電解質的反應產物的沉積而變厚；陰極的表面也會產生一層表面膜，在老化過程中膜的厚度變化不會很明顯，但其孔隙率、電導率和擴散系數會因副反應產物的沉積堵塞已生成的表面膜微孔且隨著時間發生變化。負極的SEI膜變厚，使電池阻抗增加和發生不可逆的鋰損失，最終造成容量衰減；而正極的活性顆粒受到沉積物的阻塞同樣會增加阻抗，導致可用活性物質和容量減少。

上述論斷是電池在常規使用條件(適宜溫度，一般為20～40 ℃；低倍率放電；容量衰減小于20%)下電池內部的變化；在非常規的運行環境及管理系統因素影響下，如高溫或低溫環境、高倍率充放電或電池容量衰減大于20%時，電池內部發生的老化過程更加復雜多變，逐漸演化為安全問題。

圖3揭示了鋰離子電池老化過程所有可能經歷的內部變化。電池的首次充電過程使負極(一般為嵌鋰碳)和電解質發生電化學反應，生成SEI膜；在電池的后續循環過程中，電化學寄生副反應使SEI沉積并變厚，電極材料的不斷膨脹與收縮導致新的活性位點暴露出來，在快速充放電或電極活性物質分布不均勻的情況下，活性物質(模型中一般簡化為顆粒)容易發生粉化、碎裂、脫落或結構錯位；與此同時，如果電池長期在高于其額定電流的電流密度下快速充電或低溫下充電，其負極表面容易形成金屬鋰枝晶。金屬鋰用作電池負極時，也容易產生枝晶，若這兩種枝狀晶體逐漸生長，容易刺穿隔膜，引起電池內部的短路。此外，當電池過放電時(1～2 V)，負極的集流體銅箔開始溶解，在電極上析出形成銅枝晶，易造成電池短路，同樣，正極集流體鋁的表面氧化膜長時間與電解質相互作用可能發生溶解，使得鋁箔被電解質腐蝕。

圖3 鋰離子電池老化造成的內部變化

電池制造瑕疵及老化過程枝晶生長可能造成的直接后果是電池內短路，并由內部短路位置的局部過熱逐漸觸發電池材料的鏈式放熱副反應。電池過熱時觸發的副反應帶有正極金屬氧化物晶格釋氧的放熱反應，即使在外界強制冷卻或人為密封隔離(無氧)的情形下，也不能有效阻止鋰離子電池的熱失控發生。

電池本體因素也是外部激源及管理系統失效產生的原因之一。老化嚴重的電池有可能產生鼓脹及排氣漏液等問題，進而腐蝕銅排及連接件等部件，造成接觸電阻增大、絕緣性能降低，觸發外部激源。電池初始狀態及老化程度的不同將造成電池系統的不一致性，在規模化成組的儲能系統中，電池間的不一致性將對BMS、PCS等管理系統帶來新的挑戰。初始缺陷或老化程度更高的短板電池可能在實際運行過程中長期滿充滿放，甚至過充過放，使得內部缺陷逐漸被放大，最終導致單體及系統的失效。

鑒于電池本體因素的長周期演化特征，研究如何通過電池內部老化機理、電池間不一致性演化以及對應的外部參數變化，實現對儲能系統安全性演化趨勢的預測和早期預警，是當前鋰電池儲能系統安全管理亟需突破的重點。

2.2 外部激源因素

外部激源包括絕緣失效造成的電流沖擊及外部短路等問題，也包括除電池外部件高溫產熱造成的熱沖擊，以及某電池熱失控后觸發的熱失控蔓延過程。一般而言，儲能電站通常為廠站或集裝箱結構設計，電池通常處于靜止狀態，外部機械激源，如擠壓、針刺等行為不構成儲能電站安全性的主要矛盾。

外部短路將直接導致電池迅速升溫。常規的換熱條件下(自然對流、室溫發生故障)，新的鋰離子電池發生外部短路會發生過熱和觸發材料相關的副反應，老化電池因為內阻變化的原因，同一短路條件下(SOC、短路電阻相同)可能更容易過熱。外部短路的危害與其作用時間直接相關，值得說明的是儲能系統以及電池本體通常具備主動和被動的過流保護裝置，如系統的熔斷器、電池內的正溫度系數熱敏電阻(PTC)、電流阻斷裝置(CID)等，能夠有效降低外部短路作用時間。

在電沖擊方面，韓國事故研究表明，外部電沖擊可能造成電池保護裝置(直流接觸器等)的損壞甚至爆炸，進而造成保護裝置附件的二次短路事故發生，產生火災，并以熱沖擊的形式作用于電池，誘發更大規模火災事故。

熱沖擊將直接造成電池單體或模塊過熱，有可能演化為熱失控。觸發熱沖擊的原因包括連接件老化故障產生的電弧、熱失控電池瞬時大量放熱給附近電池等等。如果電池散熱條件良好或配備有足夠強度的主動熱管理措施，通往熱失控的路線會能夠被切斷，就可以避免嚴重的危害發生。因此，包括短路在內的故障發生時，嚴格監控電池表面溫度，通過主動降溫等熱管理措施避免其超過自加熱溫度，是降低電池失效和過熱發生熱失控的有力措施。

2.3 運行環境因素

如前文所述，鋰電池需要工作于各參數的安全窗口范圍，需要通過初始電熱管理設計、BMS/PCS/EMS以及空調系統等管控來維持合理的運行環境。運行環境管理不善將逐漸影響電池及系統的可靠性，進而演化為事故。在韓國儲能事故調查報告中，驗證性測試證明了水分、鹽霧及粉塵將降低電池內模塊絕緣性能，從而以外部激源為路徑觸發電池系統火災。

環境溫度對鋰離子電池安全運行至關重要，將對電池本體安全因素產生重要影響。低溫環境會減小電池內化學反應速率、降低電解液內離子的擴散率和電導率、使SEI膜處的阻抗增加、鋰離子在固相電極內擴散速率減小、界面動力學變差，石墨負極處極化作用顯著增強。低溫充電時石墨負極將發生鋰電鍍，這會使負極被金屬鋰沉積物包裹，造成嚴重的容量損失，甚至當鋰枝晶生長刺破隔膜時造成電池內短路。高溫環境不利于電池散熱，當電池內部生熱量大于外部散熱量時，其溫度會逐漸上升至過熱狀態，過熱電池會觸發各種材料濫用反應，電池內部放熱更大，觸發熱失控。

電池間溫差過大將構成各電池老化速率的不一致性，影響系統整體性能，并且不一致性增大到一定程度，將嚴重影響BMS管控性能[18]。盡管韓國儲能事故調查報告中認為電池溫差不直接造成系統事故，但在系統不一致性長期演化下，BMS對短板電池的管控將存在SOC/SOH估計誤差、短板電池過充過放等問題，嚴重時也可能導致安全事故。

2.4 管理系統因素

管理系統因素不僅包括BMS、PCS、EMS以及對應的聯動管控邏輯，也包括管理規章制度等人的因素。前者是系統的核心控制和決策單元，主要作用是對電池系統的工作狀態進行監測和管理，對保障電池安全、穩定、可靠運行有重要意義。韓國儲能系統安全事故大都是在充電完成后的高SOC狀態下發生的，存在局部過充的可能性，這與管理系統的可靠性直接相關。在韓國儲能事故二期報告中，調查團隊分析EMS歷史記錄證實了這一點，發生事故的BESS存在部分電芯的電壓超過了電池企業的建議的上限充電電壓(4.15 V)30 mV，并且連續壓差超過400 mV。此外，2018年6月24日的EMS記錄電芯在SOC為0時放電約3 min的情況。

管理系統的監測誤差及管控滯后甚至失效，是導致電池系統各種濫用以及電池本體非正常老化的直接原因。管理系統的可靠性、有效性一方面取決于監測數據是否準確，另一方面取決于管控系統的輸入參數是否合理。隨著電池本體因素演化，電池安全閾值參數都將發生變化，在強化管理系統聯動設計可靠性的同時，也需要通過定期維護實現參數監測的校準及判據的更新。

此外，國內外現行電池儲能系統的廠內驗證測試(factory acceptance test，FAT)主要針對各單體設備，電池、PCS、BMS及EMS按照各設備對應的標準進行測試驗證，雖然針對各單體設備的國際、國家及行業標準均對設備提出了較為明確、嚴格的要求，但卻難以對其組成的完整系統的控制管理性能進行測試與驗證。而在現場調試或現場驗證測試(site acceptance test，SAT)，電池儲能系統受現場因素制約通常主要進行典型工況充放電性能、功率響應特性、系統充放電容量及效率的測試，依然難以對控制管理性能進行有效的測試與驗證。

2.5 韓國儲能事故經驗總結

結合韓國儲能事故數據，以及四類引致安全事故因素的分析，可以對鋰電池儲能系統安全性管理做出以下經驗總結。

（1）電池本體因素仍然是儲能系統安全的核心，受現階段管理系統的監測管控可靠性限制，對電池本體的充放電SOC區間有必要適當收緊。一般而言，鋰電池在20%～80%的SOC區間工作時充、放電內阻均較小，發熱量也相應較小，并且該區間工作不容易造成電池的過充過放問題，有利于規避因此而產生的風險。

（2）電池老化因素及運行環境因素的長期演化將可能造成腐蝕性的絕緣部件損壞，需要強化絕緣檢測并進行定期維護檢查，同時需要強化漏電斷路裝置、過電壓保護裝置、過電流保護裝置等電氣沖擊保護裝置的可靠性。

(資料圖)

（3）儲能系統配置足夠強度和靈活性的主動熱管理系統是非常必要的。一方面，針對熱失控風險單元，可以采取強化制冷、調控冷卻介質流量等主動式熱管理策略來減緩甚至消除濫用電池內部材料鏈式反應，降低或消除事故演化為火災的概率；另一方面，當局部熱失控發生時，主動熱管理系統可以一定程度上阻斷熱失控蔓延，防止事故規模的擴大，減少損失。

（4）電池儲能系統的標準體系有待進一步完善，特別是涉及PCS、BMS、EMS之間協調、控制與管理的相關標準。對于大型電池儲能系統，系統級控制管理性能測試與驗證手段需要建立，可考慮依托硬件在環實時仿真實現，以使新電池儲能系統在開發設計階段及儲能系統現場在調試前能實現較為完整的系統控制、保護、管理功能及性能驗證。

（5）目前業內重點關注和大力開展的熱失控提前預警和消防安全技術，不能從根本上避免鋰電儲能系統的安全事故。欲達成鋰電儲能電站“零事故”絕對安全的目標，需要改變思路，從電池安全狀態的實時評價和預測著手，針對電池本體及運行條件等多因素耦合作用的長期演化特性，研發電池安全風險的早期預警系統，從源頭降低電池系統熱失控風險。

3 鋰電池儲能系統安全性的評價與早期預警

理解和分析儲能系統安全事故因素及其交互關系是開展安全風險早期識別的前提。電池本體因素、運行環境因素通常為長周期的漸變性演化因素。外部激源的產生一部分來自電池本體及運行環境長期作用結果，可以通過長周期演化規律預測該類外部激源產生概率，另一部分為偶發性因素，需要通過管理系統閾值判斷來識別和管控。

結合韓國儲能電站事故分析，電池本體因素及運行環境因素逐漸演化是引起儲能電站事故的根本誘因。鑒于該類因素的長周期演化特性，我們將鋰電池儲能系統安全性評估劃分為兩個層次。一是安全狀態早期預警，二是熱失控的提前預警，如圖4所示。

圖4 儲能系統安全狀態預警

目前儲能系統的安全預警均以管理系統某些特征參數的閾值判斷來識別電池是否有熱失控風險，其對安全管理的定義主要是指消防安全，對應的早期預警主要是指熱失控的提前預警。針對鋰電池熱失控風險的預警包括判斷各種濫用閾值是否被觸發、是否監測到濫用過程副反應產氣等。然而發展到該階段時，電池內部鏈式反應已經產生，單體熱失控已不可逆；預警的主要目的是提前預判熱失控，給消防系統的介入爭取時間，控制事故的擴大。

在安全狀態早期預警階段，通過對電池運行及環境因素的歷史數據分析、機理模型推演、演化趨勢判斷等開展安全特性演化行為預判，有望實現潛在熱失控電池的更早期甄別，通過采取適當的安全管控措施可以有效避免熱失控的發生。電池本體安全狀態演化識別包括內短路發展估計、老化程度估計以及成組后的不一致性演化評價等方面。從系統層面來看，對電池間不一致性及其演化規律的識別，將有可能獲取更多安全狀態演化信息。例如某電池本體的電壓異常，其有可能是與電池組內其他單體的可用容量、內阻、自放電率、荷電狀態等存在明顯差異而導致，往往需要結合電池內/外參數辨識技術，才能實現對引發電壓故障的原因實施合理診斷。運行環境因素對安全性的影響具備時間積累特性，并受管理系統的初始設計和管控性能的直接影響，同時運行環境以邊界條件的形式影響電池本體安全狀態演化。綜合以上特征，借助儲能系統多尺度多場耦合建模仿真，并通過融合算法與實測數據動態交互，分析電池系統宏觀特征表現變化的成因，進而實現不同熱失控觸發機制的識別和定位，是實現安全狀態早期預警的關鍵。

4 結 論

基于韓國儲能事故調查報告，對電池本體因素、外部激源因素、運行環境因素及管理系統因素四個方面進行了分析，梳理了四類因素對電池及系統安全事故的觸發及演化規律，并探討了四類因素間的相互影響機制，進一步從中總結了儲能電站安全管理經驗，包括：限制電池本體充放電SOC區間以降低電池發熱及規避過充過放風險；強化絕緣檢測并進行定期維護檢查，提升漏電斷路裝置、過電壓保護裝置、過電流保護裝置等電氣沖擊保護裝置的可靠性，降低外部激源沖擊風險；建立合理可靠的發展趨勢評估及安全狀態早期預警機制，從源頭降低電池系統熱失控風險。

電池本體因素及運行環境因素屬于長期演化因素，同時也是部分外部激源的產生原因，對其演化規律的分析、監測和評估有望實現系統安全狀態的早期預警。通過儲能系統多尺度多場耦合建模仿真并與實測數據動態交互，分析電池系統外部特征行為變化的內在誘因，診斷/辨識并定位潛在的安全風險，實現安全狀態的早期預警。

安全狀態早期預警可以識別和定位安全狀態劣化單元，通過有效的安全管控(包括狀態劣化電芯的維護或更換)措施，干預電池安全特性的演化，避免電池發展到(臨近)熱失控階段，有望實現鋰電儲能電站的“零事故”絕對安全。主動熱管理措施(強化制冷、調控冷卻介質流量等)將在儲能系統安全管控、干預安全特性演化、阻斷熱失控蔓延等方面發揮作用。建議發展鋰電儲能系統安全風險早期預警技術/系統的同時，研發與儲能系統相適配的主動熱管理系統。

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