中国储能网讯：
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锂离子电池具有电解液的热不稳定性、电化学反应的放热性等缺点，当锂离子电池遭遇电滥用、机械滥用、自身缺陷、老化破损时，电池内部材料的物理与化学性质可能发生变化，导致锂离子电池温度呈现不可控上升，常伴随着氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、电解液蒸汽、氟化氢等有毒、有害气体的释放，同时，这些混合气体具有易燃易爆性，一旦在集装箱等受限空间聚集，遇到火源，极易发生火灾爆炸事故。
本文筛选出自2017年11月至2024年9月期间的90起涉及锂离子电池的电化学储能电站事故案例，从电池类型、事故发生的国家、事故发生时电化学储能电站状态、事故致因4个方面进行统计分析，提出针对性的预防措施，为后续降低电化学储能电站事故风险提供参考。
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电池类型统计及原因分析
1、电化学储能电站事故中储能电池类型统计及原因分析
为满足高速增长的能源需求，电化学储能电站普遍选择高能量密度的电池作为储能单元，在此过程中往往忽视了其潜在的安全风险，储能电站的事故类型主要包括火灾、爆炸、中毒、烫伤、连锁反应等，考虑全球范围内统计范围大，相对于其他事故类型，火灾、爆炸事故产生的后果比较严重，为保证统计的准确性和代表性，仅对火灾、爆炸事故进行了统计。在事故统计中发现，火灾和爆炸有时存在相继发生的现象，因此，本文将事故后果分为三类：火灾事故、爆炸事故以及火灾爆炸事故，统计结果如下图所示。锂离子电池发生火灾事故的数量远远高于爆炸事故的数量，此外，三元锂电池更容易造成储能电站事故，85起已知锂离子电池种类的电化学储能电站事故中，由三元锂电池引起的电化学储能电站事故数达 61 起，占比约 71.8%，主要原因如下：
（1)三元锂电池更容易发生热失控。研究表明，三元锂电池热失控触发温度比磷酸铁锂电池的热失控触发温度更低，且热失控触发时间更早，这是由于三元锂电池正极材料的热稳定较差，并且随着三元锂电池内部镍含量的增加，导致其热稳定性下降，热失控触发温度更低。此外,随着电池荷电状态（SoC)的增大，三元锂电池热失控的敏感性将会提高，电压突变更快，危险性也变得越发突出。
(2)三元锂电池更容易起火和热失控蔓延。有研究表明，采用外部加热方式触发锂离子电池单体热失控时，外部加热很难引燃磷酸铁锂电池，而三元锂电池可自发引燃和喷射，且诱发三元锂电池单体热失控需要的热量更少，另外，三元锂电池不需要外部的氧气就可以发生燃烧，这是由于三元锂电池热失控过程中其正极材料分解产生氧气，加快了三元锂电池内部的化学反应。相对于磷酸铁锂电池模组，三元锂电池模组更容易发生热失控蔓延，且发生热蔓延速度更快，这是由于三元锂电池热蔓延过程产生的热量更多。
（3）三元锂电池热失控会释放更多的易燃易爆性气体。有研究表明，单位容量的三元锂电池热失控产气量是磷酸铁锂电池的2倍以上，因此，在一个受限的空间内，三元锂电池热失控产生的可燃性气体更容易达到爆炸下限，增大了三元锂电池发生火灾、爆炸的风险。
基于三元锂电池的上述特性，其在安全性方面需要更加严格的监管。因此，国家能源局综合司2022年6月29日发布关于征求《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022年版) (征求意见稿) 》意见的函，其中提到中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池，不宜选用梯次利用动力电池，选用梯次利用动力电池时，应进行一致性筛选并结合溯源数据进行安全评估。在国家政策的要求下，我国电化学储能电站火灾爆炸事故数量明显下降，之后仅发生3起事故。在爆炸事故中，磷酸铁电池发生的爆炸事故是三元锂电池的两倍左右，磷酸铁锂电池爆炸风险更值得关注，这是由于磷酸铁锂电池热失控气体的爆炸范围更宽。
图 事故中锂离子电池类型分布
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发生国家统计及原因分析
经统计，电化学储能电站火灾爆炸事故发生在韩国、美国、中国、澳大利亚、法国、德国、比利时、瑞典、英国、新加坡。由下图可知，韩国最多，发生的事故数高达34起，占比统计数量37.8%。可能原因有以下几个方面：
2013年，韩国的储能项目不足30个，韩国在其可再生能源证书奖励政策激励下，对储能项目的大力推广，在一定程度上催生了行业快速发展，截至2019年，韩国的储能项目已经快速攀升至1490个。根据事故调查报告，电池缺陷、电机保护系统不良、经营环境不足、安装疏忽、储能系统管理不善是导致储能电站事故的原因。电池自身的安全问题也是导致事故频发的一个重要因素，韩国电化学储能电站多选用三元锂电池，这主要因为韩国各大电池企业以三元锂电池为主流产品，根据中国能源网统计的25起韩国电化学储能电站事故中，电化学储能电站事故中的锂离子电池均为三元锂电池。与此同时，电池管理系统或预警系统存在缺陷，可能导致无法及时发现并处理异常情况。
在统计的事故中，美国共发生 25 起火灾爆炸事故：其次是中国，共发生 13 起，欧盟国家共发生17起事故。从发生事故所用电池类型来看，美国一半以上的储能电站事故使用的储能电池为三元锂电池，而中国和欧盟国家储能电站大部分使用磷酸铁锂电池。从技术标准方面分析，德国、日本是在IEC/EN62619基础上，根据自身国家的发展状况进行补充，运用到本国，在储能电池的机械安全要求较多，美国和加拿大采用UL 1973，UL 9540A等系列标准，对储能电池环境测试和热失控测试较全面, 中国目前采用是GB/T 36276、GB/T 34131等标准，中国标准更注意测试结果。
2023年，中国、美国、德国、韩国、日本为全球电化学储能累计装机的前五大国家，装机规模也是影响美国事故多发的一个因素，储能电站的规模越大，电池数量越多，排列相对密集，单个电池发生故障时容易引发连锁反应，增加整体系统的安全风险，此外，大规模储能系统的管理和监测难度也更大，需要更高效和精确的电池管理系统来避免过充、过放等问题。
图 各国电化学储能电站事故发生数
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运行状态统计及原因分析
电站分为建设、调试、运行和维护阶段。系统集成、施工运维到安全管理等方面可能存在的缺陷也不容忽视。根据事故信息可知，韩国电化学储能电站事故多数发生在充电中或充电后静置过程中，电池长期在高电流密度下快速充电或低温下充电，电池负极表面容易形成锂枝晶，锂枝晶的生长易刺破电池隔膜，导致电池内短路，进而引发火灾、爆炸事故。由下图可见，大部分的事故均发生在电化学储能电站正常运行期间，事故数为72起，占统计事故总数的80.0%。此外，有研究表明，相对于不加连接方式，并联方式会加速锂离子电池热失控蔓延，因此，需重点关注电化学储能电站运行期间的电池状态。运行期间的事故可能是由于以下原因：
(1)长期运行的累计效应：电化学储能电站在运行期间，储能电池会经历成千上万次的充放电循环，这种长期的循环会导致电池内部材料逐渐退化，电池安全性能递减，从而增大电池热失控的风险。
(2)高温环境的影响：电化学储能电站在运行期间，电池持续产生热量，若电化学储能电站的散热系统设计不合理或运行期间出现故障问题，电化学储能电站局部温度可能会持续升高，高温环境同时也会加速电池老化，多种不利环境降低了电化学储能电站的整体安全性，增大了储能电池的热失控风险。
(3)系统负荷变化：电化学储能电站在运行期间可能会面临不同的负荷需求和工作模式，如频繁的充放电、深度放电等情况，这些负荷变化会对电池系统造成更大的压力和挑战，进而增加了电化学储能电站的故障与事故风险。
(4)预警系统的可靠性不足：电化学储能电站的预警系统和安全保护措施在运行阶段需要持续稳定地工作，预警系统的失效或误报均可能引起事故。例如，电池在运行期间温度持续上升，而预警系统发生故障，无法及时发现热失控的早期迹象，进而导致电化学储能电站故障演化为事故。因此，为了保证电化学储能电站的安全运行，需加强对储能电池系统的维护，定期检查和更新设备，不断完善预警系统。
(5)高SoC易导致过充：根据调查报告，约60%事故是在充电等待后发生，一方面，电池处于较高的SoC下易发生热失控，当部分电池出现一致性差等缺陷时，容易出现过充现象。
图 电化学储能电站状态统计
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事故致因统计及原因分析
电化学储能电站的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导致的。这些因素往往会导致锂离子电池的三种滥用进而诱发锂离子电池热失控。本文将 90 起事故按照设备因素、环境因素及人为因素进行划分统计。
设备因素主要来自电池本体和电机保护系统、冷却系统绝缘性等，电池本体因素主要是由电池瑕疵和本体老化构成。由于储能电池在制造过程遗留的瑕疵，比如在涂布工艺过程中金属污染物颗粒的掺入、隔膜太薄、正负极流体边缘毛刺等缺陷，都会导致电池的一致性变差，部分储能电池选用梯次利用的动力电池，导致电池的老化问题日益凸显；电机保护系统主要是在外部电力冲击下，锂离子电池保护装置内多数元器件受损，导致锂离子电池保护装置内的直流接触器爆炸；冷却系统损坏后导致绝缘性降低，容易导致外短路，进而引发火灾。此外火灾前景，水喷淋装置误报触发也可能导致电池系统外短路进而引发火灾。
环境因素主要由于雨水渗入、周围锅楼房爆炸等原因，进一步引发锂离子电池火灾事故。
在已知的因素中，人为因素是导致电化学储能电站事故的主要因素，在90起电化学储能电站事故中,有38起事故的直接和间接原因是由人为因素导致,占比43.3%。相关原因如下：
(1)人员操作失误：电化学储能电站的工作人员可能缺乏相关的培训，如误操作、忽视安全规程等。这些失误会导致储能电池出现过充、过放或短路等安全问题。2018年8月某日，中国某市磷酸铁锂电池仓在施工调试过程中发生火灾，事故是因为操作人员反接电池导致过充电。2024年4月某日，中国某市集装箱磷酸铁锂电池模组发生火灾，员工施工调试设备时误操作致使消防水泵动作，引发高压细水雾灭火系统喷水，造成电池组内磷酸铁锂电池遇水短路故障。
（2）安全管理体系不健全：目前，各国正不断完善电化学储能电站的各个阶段的法律法规，随着储能技术的发展，缺乏有效的安全管理体系和监管机构，将导致员工忽视安全管理问题。例如，国家能源局综合司发布的《关于加强电化学储能电站安全管理的通知》中提出，业主(项目法人)是电化学储能电站安全运行的责任主体，要将纳入备案管理的电化学储能电站安全管理纳入企业安全管理体系，健全安全生产保证体系及监督体系。建在高山、沿海地区的EESSs如果管理不善，水分、粉尘、盐水等不断侵入电池系统，将导致电池系统绝缘性不断降低，可能引发火灾。在设计阶段，EESSs就应建立综合管理体系。
(3)应急响应不及时：发生紧急情况时，若操作人员缺乏有效的应急响应和处理能力，可能会扩大事故。例如,北京“4.16”电化学储能电站爆炸事故中，员工缺乏应急演练，采用干粉灭火剂扑救南楼的火灾，不能及时扑灭初期火灾，导致南楼火势增大。南楼热失控气体通过电缆沟输送至北楼，这些可燃气体在北楼遇到电火花发生爆炸。
(4)安全意识不足：操作人员和管理人员的安全意识不足，可能会导致人员对潜在安全风险的忽视。例如，部分事故中，储能电池发生电池组漏液、过热、冒烟等现象操作人员并未及时消除热失控早期的安全隐患。
