电化学储能安全概论

电化学储能安全概论

(作者：陈永翀 阳炬 冯彩梅 张友胜)

1.1储能安全概念及分类

      电化学储能系统及储能电站的安全可以从不同角度、不同层级进行分类和定义，主要包括本体安全和系统安全、主动安全和被动安全、非本质安全和本质安全等分类体系。

1.1.1本体安全和系统安全

1.1.1.1 本体安全

      本体安全指电池本身（本体）的热稳定性和可靠性，强调在各种工况下电池自身发生热失控的可能性及发生燃烧爆炸的危险程度。锂离子电池储能系统的本体安全性能检测应按照GB/T 36276-2023 的安全性能技术要求和试验方法进行控制，其他电化学储能系统可结合具体情况参照执行。

1.1.1.2 系统安全

      系统安全指包括电池本体、电池管理系统、储能变流器、冷却系统、继电保护装置等配件和设备组成的整个储能系统的安全性。储能系统应具备面对内部异常或者外界环境干扰时，依靠自身设计能够控制风险或者将风险危害等级降至最低的能力。

1.1.2主动安全和被动安全

1.1.2.1 主动安全

      主动安全指电池单体、电池模组或电池簇主动监测、防范和控制储能过程中可能出现的安全风险，从而避免火灾、爆炸或其他安全事故的发生，强调事故发生前的主动监测、防范和控制措施。

1.1.2.2 被动安全

      被动安全是指在储能系统发生安全事故的初期，通过消防设施或其他应急措施防止事故扩大，降低事故造成的影响范围，减小事故产生的危害，强调事故发生后的及时响应和控制。

1.1.3非本质安全和本质安全

1.1.3.1 非本质安全

      非本质安全是指在对象发生热失控后，通过抑制措施减缓甚至阻止热扩散及燃烧爆炸的进一步发生。

      非本质安全的对象可分为电池单体、电池模块、电池簇以及电池集装箱系统。其中，电池单体的非本质安全是指在电池单体出现热失控后，采取及时断电、加大冷却液流速或喷淋消防剂等措施使得电池隔离空气、温度下降等措施，防止电池单体的起火爆炸。电池模块和电池簇的非本质安全是指当模块或簇内出现热蔓延或电池燃烧现象，或是外部电火花瞬间释放的热量引燃器件时，通过喷淋消防剂或灌注冷却液等措施，能够控制事故范围在本模块或簇内，阻止热蔓延至其他电池模块或电池簇。电池集装箱系统的非本质安全是指当集装箱内部发生大面积热失控或局部燃烧时，能够通过沉浸式灭火等措施减缓集装箱内部的热蔓延，防止集装箱系统整体燃烧和爆炸。

1.1.3.2 本质安全

      本质安全也称为本征安全，是指正常工作和一定滥用条件下，有措施使得对象不发生热失控，从而切断燃烧爆炸的诱因。

      本质安全的对象可分为电池单体、电池模块、电池簇以及电池集装箱系统等不同层级。电池单体的本质安全是指电池单体在正常工作和规定的故障状态下，不发生热失控，不燃烧不爆炸。电池模块和电池簇的本质安全是指即使某个电池单体发生热失控，能够有相应措施使得该电池单体不燃烧，且不发生热蔓延至电池模块或簇内的其他电池。电池集装箱系统的本质安全是指即使某个电池簇多颗电池发生热失控后，能够有相应措施防止该电池簇发生燃烧，且有措施防止热蔓延至其他相邻电池簇。

      目前，电芯级别的本质安全电化学储能技术包括水系电解液电池（全钒液流电池、铅酸电池等）、全固态锂离子电池（不是固态锂电池），以及安全剂可注入电芯内部的的半开放储能锂离子电池等。

1.1.4 按产业链环节的安全分类

1.1.4.1 设计安全

      电化学储能系统的设计包括材料、结构、电气电子、监控预警、温控、消防等多个环节，设计不当可能引发安全事故。例如，2023年美国沃里克市锂离子储能电站因为储能柜体设计存在缺陷，外部水渗入电池容器，引发电气短路，发生火灾。

1.1.4.2 生产安全

      电化学储能系统的生产通常涉及较多工序，其中可能存在的生产安全问题包括但不限于：批量生产的电池电压、容量和内阻不一致，工作过程中承受不同的负载，部分电池长期存在过充或过放情况引发安全事故；电池外壳在生产或组装过程中可能破损，电解液发生泄漏，接触到空气或其他部件后，引发火灾；生产环境中的静电放电可能对电池内部的电化学反应造成影响，特别是电池的控制芯片或其他电子元件可能因为静电放电而失效。

1.1.4.3 运输安全

      运输安全问题包括在运输过程中受到强烈物理冲击或环境温度过高时，电池发生热失控，造成起火或爆炸。例如，2020年一辆载有六个大型储能锂离子电池的半挂式卡车在洛杉矶圣佩德罗港口侧翻，冲击导致电池热失控起火。此外，较弱的撞击、振动、跌落也可能导致电池结构受损，影响电池的性能或引发潜在安全隐患；电池在运输过程中没有被妥善包装和绝缘，因静电或其他导电物质接触，也可能出现短路等现象。

1.1.4.4 建设安全

      电化学储能系统的建设安全隐患包括但不限于：在建设调试过程中，电化学储能系统的冷却系统或热管理系统尚未完全优化，局部电池组的散热不均匀导致个别电池过热，引发连锁反应；调试期间的接线错误或误操作引发短路，如电池极性连接不当或电缆连接不稳等；在调试阶段，消防系统或其他安全防护装置尚未完全启用或设置不当，导致出现安全隐患时无法及时响应；建设阶段设备安装不当，导致使用过程中因震动或移动产生松动，影响电气连接的稳定性；操作员未严格遵守安全规程，忽略潜在的安全隐患，导致事故发生。例如，2022年，江苏南通某储能电站因操作人员调整系统参数时错误设置了温度阈值，导致散热系统未及时启动，使得部分电池温度持续升高至热失控临界点，发生火灾。

1.1.4.5运维安全

      电化学储能系统的运维安全隐患包括但不限于：在运营维护过程中，电池可能出现老化，容量下降，形成锂枝晶的风险增大，电池更容易出现内短路；老化后电池无法提供预期的电力输出，出现过度放电现象；电池老化速度不一致，一致性变差，BMS对电池管理出现偏差，不能有效监控电池状态，造成安全事故；储能系统中的空气过滤和散热系统未得到定期维护，灰尘和污染物积累在散热器或通风口处，影响散热效果；系统中的机械结构在长时间的振动和应力作用下出现疲劳或损伤，导致出现安全事故。例如，2021年澳大利亚的维多利亚大型电池储能项目由于储能系统内电池模组的液冷系统发生泄漏，产生了电弧放电，导致电池热失控。

1.1.4.6 回收安全

      电化学储能系统的回收安全隐患包括但不限于：电化学储能系统在回收时还存有剩余电量，在系统拆解过程中出现机械损伤如撞击挤压等，电池仍具有热失控风险；回收过程中电池外壳破损或密封失效，电解液泄漏，接触到空气或水分后释放有毒气体或引发化学反应，污染环境威胁工作人员健康；电池内可能含有有害的重金属，如镍、钴等，同时储能系统中的电子元件、控制器等，可能含有铅、汞等有毒物质，处置不当会污染土壤和水源以及人类健康。例如，2021年湖南某回收企业因存放回收电池的废铝箔起火，造成严重火灾和爆炸事故。

1.2 储能安全标准概述

      国内电化学储能系统标准逐步完善。例如，国家标准GB/T 36276规定了电力储能用锂离子电池的基本设计、技术参数、性能要求和安全测试方法，而针对电池本质安全的团体标准也在制定中。

      国际和海外标准也成为企业拓展海外市场的重要依据。国际标准IEC 62933-5-2规定了电化学储能系统的安全要求，包括系统设计、安装、操作和维护，以确保在各种使用环境中的安全性。IEC 62619针对用于储能的锂离子电池，规定了电池的安全测试方法，包括过充、短路、振动、冲击等测试项目。美国标准UL 1973规定了用于储能的锂离子电池的安全测试标准，涉及电池单体和模组的短路、过充、振动、冲击测试等。欧洲标准CENELEC TC 21X规定了一系列关于电化学储能系统的安全标准，涵盖了电池的热稳定性、化学防护、极端环境适应性等内容。

      未来，储能系统的国际国内标准和认证体系将会更加严格，不仅针对电化学储能系统中的电池安全，而且对其他设备的综合安全性也将提出高要求，确保储能系统整体安全性。

1.3储能安全发展趋势

      基于能源结构转型的需求、应用场景的拓展、智能化控制与优化调度等多方面因素，电化学储能系统将在能源领域发挥更加重要的作用。本质安全被认为是从根源上消除燃烧诱因（热失控）的有效途径，将本质安全定义引用到电化学储能系统上，将保证电化学储能系统达到更高的安全标准，也是未来电化学储能安全技术开发的重要方向。

      目前绝大多数储能锂离子电池还无法达到电芯级别的本质安全标准，因此未来从技术本体属性或储能场景需求进行安全等级的划分，以此保证电化学储能系统的应用安全也非常重要。

（引自《电化学储能系统安全指南》第一章）