储能的黑洞：由北京储能电站爆炸与韩国储能电站事故中引发的安全问题思考！

 陈永翀指出，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。另外，储能电池的应用安全标准也需要建立起来，避免安全事故的发生。

 中国化学与物理电源行业协会储能应用分会秘书长刘勇表示，截至目前，业界主要目光集中在储能应用的商业模式创新上，而随着储能项目在新能源发电、电网侧、工商业用户侧、电力辅助服务、微电网、光储充电站、能源互联网、智慧能源、数据中心、节能改造、岸电改造等众多领域的广泛应用，以及储能电站规模逐步向兆瓦级、几十兆瓦级甚至百兆瓦级大力推进，如何做好储能系统优化与安全风险预防措施将显得尤为重要。 刘勇指出，希望目前暴露出来的安全风险要引起相关主管部门重视，项目业主要积极做好相关风险安全评估和预案措施，同时，要从目前全球储能项目中暴露出来的安全风险中不断总结经验，优化储能系统整体结构设计，并着力构建产品安全标准体系建设，共同推动储能产业健康稳定发展。

韩国锂离子电池储能电站安分析及思考全事故的分析

摘 要：安全性是锂离子电池储能系统的重要议题，探究锂电池储能系统安全事故成因，开展储能系统安全状态的评价与早期预警及事故风险的管控与防护等研究具有重要意义。本文立足于韩国公开的其国内近期发生的锂电储能系统安全事故调查报告，对电池本体、外部激源、运行环境及管理系统等引致安全事故的因素进行了分析，梳理了四类因素作用下电池及系统安全事故的触发及演化规律，探讨了四类因素间的相互影响机制，总结经验教训的同时提出了锂电储能系统安全管理的发展方向。

储能系统(energy storage systems，ESS)是现代电力系统及智能电网的重要组成部分，也是实现可再生能源并网消纳及分布式发电高效利用的重要环节。随着电池技术的不断进步及其成本的降低，以锂离子电池为主的电化学储能系统近年来得到了迅速发展及工程应用。相比铅酸、钠硫等电池储能系统(battery energy storage systems，BESS)而言，锂离子电池储能系统具有能量密度高、转换效率高、自放电率低、使用寿命长等优势。然而，锂离子电池采用沸点低、易燃的有机电解液，且材料体系热值高，在电池本体或电气设备等发生故障后，易触发电池材料的放热副反应，引致电池热失控，进而可能演化成储能系统燃烧爆炸等重大安全事故。国内外锂电池储能的工程应用中均有火灾事故发生，造成了严重的经济损失及社会影响。安全问题已逐渐成为锂电池储能电站建设及大规模应用的首要问题，探究锂电池储能系统安全事故成因，开展储能系统安全状态的评价与早期预警及事故风险的管控与防护等研究具有重要意义。

1韩国锂电储能电站安全事故概述

近三年来，国内外锂电池储能系统装机增长迅速，据中关村储能产业技术联盟(China Energy Storage Alliance，CNESA)统计，仅2017—2018年间电化学储能装机由2926.6 GW增长至6625.4 GW，年增幅126.4%。其中，韩国锂电储能在其可再生能源证书奖励政策激励之下迅速发展，2018年全球新增电化学储能装机中，韩国几乎占据全球45%。然而，韩国储能电站发生火灾安全事故的数量和比率也处于全球首位。2017—2019年期间，报道的韩国储能电站事故已近30起。对此，韩国组织相关电池厂家及研究机构对2019年6月前其境内23起储能安全事故开展了调查及分析，表1汇总了2019年6月前韩国储能事故情况。

表12017年8月—2019年6月储能的黑洞：

在相关事故的调研及验证性测试中，调查团队将储能电站事故致因总结为以下四个方面：电池系统缺陷、应对电气故障的保护系统不周、运营环境管理不足、储能系统综合管理体系欠缺。其中，电池内部及成组问题、外部电气故障、电池保护装置(直流接触器爆炸)、水分/粉尘/盐水等造成的接触电阻增大及绝缘性能下降等问题将可能直接诱发电池热失控。而电池管理系统(battery management systems，BMS)、储能变流器(power conversion systems，PCS)、能量管理系统(energy management systems，EMS)之间信息共享不完备或不及时，PCS和电池之间的保护配置与协调不当、PCS故障修理后电池的异常、测量装置及管理系统之间发生冲突等系统管理问题，则可能使故障不能及时有效地得到管控而演化为事故。在电池本体安全性方面，该调研报告中对模拟制作的极片折叠和切割不良电池进行充放电测试，在约180次循环过程中未发生能够导致起火的电池内部短路问题，未明确提出电池内部故障是否能触发安全事故演化。然而，从事故触发阶段的统计结果来看，充电后等待阶段的事故发生占比超过60%，如图1所示。

图12017年8月—2019年6月韩国锂电池储能电站事故发生阶段统计图

在充电后等待阶段中，系统通常处于断路状态，外部电气故障等外部激源触发电池热失控的概率将显著降低。同时，该阶段中电池本体通常处于高SOC状态，一方面更易受外部滥用触发热失控，另一方面电池可能存在局部过充问题，由电池本体引发的系统安全事故概率将显著上升。事实上，韩国在2019年8月至12月间又新增5起储能电站事故，后续报道指出所有的5个BESS的电池都处在高SOC状态(>90%)下，电池逐渐过热引起起火，由电池本体触发储能系统安全事故的可能性极大。

一般而言，锂离子电池本体需要工作于适宜的电压、电流、温度及SOC等参数的安全窗口内。国内外学者已对锂电池本体故障及安全演化机理进行了深入研究[]，认为过充、过放、过电流、过热等滥用行为以及电池内部短路是导致电池安全状态演化至热失控的直接原因。储能系统作为一个整体，触发上述滥用过程的原因复杂且相互交叉，需要从系统层面进行分析[6]。结合韩国储能事故调查报告，我们围绕电池本体滥用机制，对报告所提四个方面因素进行了归纳和梳理，旨在从系统层面厘清锂电池储能电站安全触发及演化机制，为系统安全性评价与早期预警及安全风险的管控等提供依据。

2锂电池储能系统安全事故演化分析

储能安全问题是系统性问题，事故的发生往往由多因素交互作用演化发展，最终导致电池滥用及热失控的发生。借鉴韩国储能事故报告对安全诱因的分类，本文将安全事故成因划分为电池本体、外部激源、运行环境及管理系统四类，并讨论四类诱发因素的相互作用机制及对电池滥用和失控过程的触发机制。图2归纳了四类诱发因素交互及滥用触发关系。

图2锂电池储能系统安全事故诱发因素及其交互关系

2.1电池本体因素

由电池本体诱发安全事故的来源主要包括电池制造过程的瑕疵以及电池老化带来的储能系统安全性退化两方面。电池在生产制造过程中，存在涂布过程金属污染物颗粒混入、正负极流体边缘毛刺等概率。虽然韩国储能事故调查中对该类问题进行了验证性测试，指出180次循环内未发现电池故障，但受循环次数和循环工况的限制，该结果的得出未考虑毛刺、颗粒随电池老化而发生形态演化问题。

研究表明，Fe、Ni等金属颗粒污染物混入电池内后，会随着电池老化的进行逐渐分解并沉积在负极表面，形成枝晶并逐渐演化为微内短路。由于Fe、Ni等金属熔点远高于Li，形成的微内短路不像锂枝晶会熔融消退，而是逐渐扩展为硬短路，导致隔膜结构破坏及热失控的发生，其危害甚至高于锂枝晶生长造成的内短路。关于锂离子电池的老化过程性能变化，理论研究已经定性揭示了这个过程：在锂离子电池运行过程中，副反应会导致电池的阳极和阴极都发生老化。对碳基阳极来说会产生一层SEI(固体电解质界面)膜，SEI 膜对电池正常运行有益且必要，但电解质分解产生的副反应会导致电池性能衰退。老化过程中SEI膜因电解质的反应产物的沉积而变厚；阴极的表面也会产生一层表面膜，在老化过程中膜的厚度变化不会很明显，但其孔隙率、电导率和扩散系数会因副反应产物的沉积堵塞已生成的表面膜微孔且随着时间发生变化。负极的SEI膜变厚，使电池阻抗增加和发生不可逆的锂损失，最终造成容量衰减；而正极的活性颗粒受到沉积物的阻塞同样会增加阻抗，导致可用活性物质和容量减少。

上述论断是电池在常规使用条件(适宜温度，一般为20～40 ℃；低倍率放电；容量衰减小于20%)下电池内部的变化；在非常规的运行环境及管理系统因素影响下，如高温或低温环境、高倍率充放电或电池容量衰减大于20%时，电池内部发生的老化过程更加复杂多变，逐渐演化为安全问题。

图3揭示了锂离子电池老化过程所有可能经历的内部变化。电池的首次充电过程使负极(一般为嵌锂碳)和电解质发生电化学反应，生成SEI膜；在电池的后续循环过程中，电化学寄生副反应使SEI沉积并变厚，电极材料的不断膨胀与收缩导致新的活性位点暴露出来，在快速充放电或电极活性物质分布不均匀的情况下，活性物质(模型中一般简化为颗粒)容易发生粉化、碎裂、脱落或结构错位；与此同时，如果电池长期在高于其额定电流的电流密度下快速充电或低温下充电，其负极表面容易形成金属锂枝晶。金属锂用作电池负极时，也容易产生枝晶，若这两种枝状晶体逐渐生长，容易刺穿隔膜，引起电池内部的短路。此外，当电池过放电时(1～2 V)，负极的集流体铜箔开始溶解，在电极上析出形成铜枝晶，易造成电池短路，同样，正极集流体铝的表面氧化膜长时间与电解质相互作用可能发生溶解，使得铝箔被电解质腐蚀。

图3锂离子电池老化造成的内部变化