中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
01
鋰離子電池具有電解液的熱不穩(wěn)定性、電化學(xué)反應(yīng)的放熱性等缺點(diǎn)，當(dāng)鋰離子電池遭遇電濫用、機(jī)械濫用、自身缺陷、老化破損時(shí)，電池內(nèi)部材料的物理與化學(xué)性質(zhì)可能發(fā)生變化，導(dǎo)致鋰離子電池溫度呈現(xiàn)不可控上升，常伴隨著氫氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、電解液蒸汽、氟化氫等有毒、有害氣體的釋放，同時(shí)，這些混合氣體具有易燃易爆性，一旦在集裝箱等受限空間聚集，遇到火源，極易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。
本文篩選出自2017年11月至2024年9月期間的90起涉及鋰離子電池的電化學(xué)儲(chǔ)能電站事故案例，從電池類型、事故發(fā)生的國(guó)家、事故發(fā)生時(shí)電化學(xué)儲(chǔ)能電站狀態(tài)、事故致因4個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出針對(duì)性的預(yù)防措施，為后續(xù)降低電化學(xué)儲(chǔ)能電站事故風(fēng)險(xiǎn)提供參考。
02
電池類型統(tǒng)計(jì)及原因分析
1、電化學(xué)儲(chǔ)能電站事故中儲(chǔ)能電池類型統(tǒng)計(jì)及原因分析
為滿足高速增長(zhǎng)的能源需求，電化學(xué)儲(chǔ)能電站普遍選擇高能量密度的電池作為儲(chǔ)能單元，在此過(guò)程中往往忽視了其潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，儲(chǔ)能電站的事故類型主要包括火災(zāi)、爆炸、中毒、燙傷、連鎖反應(yīng)等，考慮全球范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)范圍大，相對(duì)于其他事故類型，火災(zāi)、爆炸事故產(chǎn)生的后果比較嚴(yán)重，為保證統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性和代表性，僅對(duì)火災(zāi)、爆炸事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。在事故統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)和爆炸有時(shí)存在相繼發(fā)生的現(xiàn)象，因此，本文將事故后果分為三類：火災(zāi)事故、爆炸事故以及火災(zāi)爆炸事故，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下圖所示。鋰離子電池發(fā)生火災(zāi)事故的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于爆炸事故的數(shù)量，此外，三元鋰電池更容易造成儲(chǔ)能電站事故，85起已知鋰離子電池種類的電化學(xué)儲(chǔ)能電站事故中，由三元鋰電池引起的電化學(xué)儲(chǔ)能電站事故數(shù)達(dá) 61 起，占比約 71.8%，主要原因如下：
（1)三元鋰電池更容易發(fā)生熱失控。研究表明，三元鋰電池?zé)崾Э赜|發(fā)溫度比磷酸鐵鋰電池的熱失控觸發(fā)溫度更低，且熱失控觸發(fā)時(shí)間更早，這是由于三元鋰電池正極材料的熱穩(wěn)定較差，并且隨著三元鋰電池內(nèi)部鎳含量的增加，導(dǎo)致其熱穩(wěn)定性下降，熱失控觸發(fā)溫度更低。此外,隨著電池荷電狀態(tài)（SoC)的增大，三元鋰電池?zé)崾Э氐拿舾行詫?huì)提高，電壓突變更快，危險(xiǎn)性也變得越發(fā)突出。
(2)三元鋰電池更容易起火和熱失控蔓延。有研究表明，采用外部加熱方式觸發(fā)鋰離子電池單體熱失控時(shí)，外部加熱很難引燃磷酸鐵鋰電池，而三元鋰電池可自發(fā)引燃和噴射，且誘發(fā)三元鋰電池單體熱失控需要的熱量更少，另外，三元鋰電池不需要外部的氧氣就可以發(fā)生燃燒，這是由于三元鋰電池?zé)崾Э剡^(guò)程中其正極材料分解產(chǎn)生氧氣，加快了三元鋰電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)。相對(duì)于磷酸鐵鋰電池模組，三元鋰電池模組更容易發(fā)生熱失控蔓延，且發(fā)生熱蔓延速度更快，這是由于三元鋰電池?zé)崧舆^(guò)程產(chǎn)生的熱量更多。
（3）三元鋰電池?zé)崾Э貢?huì)釋放更多的易燃易爆性氣體。有研究表明，單位容量的三元鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣量是磷酸鐵鋰電池的2倍以上，因此，在一個(gè)受限的空間內(nèi)，三元鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的可燃性氣體更容易達(dá)到爆炸下限，增大了三元鋰電池發(fā)生火災(zāi)、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。
基于三元鋰電池的上述特性，其在安全性方面需要更加嚴(yán)格的監(jiān)管。因此，國(guó)家能源局綜合司2022年6月29日發(fā)布關(guān)于征求《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求(2022年版) (征求意見(jiàn)稿) 》意見(jiàn)的函，其中提到中大型電化學(xué)儲(chǔ)能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，不宜選用梯次利用動(dòng)力電池，選用梯次利用動(dòng)力電池時(shí)，應(yīng)進(jìn)行一致性篩選并結(jié)合溯源數(shù)據(jù)進(jìn)行安全評(píng)估。在國(guó)家政策的要求下，我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)爆炸事故數(shù)量明顯下降，之后僅發(fā)生3起事故。在爆炸事故中，磷酸鐵電池發(fā)生的爆炸事故是三元鋰電池的兩倍左右，磷酸鐵鋰電池爆炸風(fēng)險(xiǎn)更值得關(guān)注，這是由于磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э貧怏w的爆炸范圍更寬。
圖 事故中鋰離子電池類型分布
03
發(fā)生國(guó)家統(tǒng)計(jì)及原因分析
經(jīng)統(tǒng)計(jì)，電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)爆炸事故發(fā)生在韓國(guó)、美國(guó)、中國(guó)、澳大利亞、法國(guó)、德國(guó)、比利時(shí)、瑞典、英國(guó)、新加坡。由下圖可知，韓國(guó)最多，發(fā)生的事故數(shù)高達(dá)34起，占比統(tǒng)計(jì)數(shù)量37.8%?？赡茉蛴幸韵聨讉€(gè)方面：
2013年，韓國(guó)的儲(chǔ)能項(xiàng)目不足30個(gè)，韓國(guó)在其可再生能源證書獎(jiǎng)勵(lì)政策激勵(lì)下，對(duì)儲(chǔ)能項(xiàng)目的大力推廣，在一定程度上催生了行業(yè)快速發(fā)展，截至2019年，韓國(guó)的儲(chǔ)能項(xiàng)目已經(jīng)快速攀升至1490個(gè)。根據(jù)事故調(diào)查報(bào)告，電池缺陷、電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)不良、經(jīng)營(yíng)環(huán)境不足、安裝疏忽、儲(chǔ)能系統(tǒng)管理不善是導(dǎo)致儲(chǔ)能電站事故的原因。電池自身的安全問(wèn)題也是導(dǎo)致事故頻發(fā)的一個(gè)重要因素，韓國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能電站多選用三元鋰電池，這主要因?yàn)轫n國(guó)各大電池企業(yè)以三元鋰電池為主流產(chǎn)品，根據(jù)中國(guó)能源網(wǎng)統(tǒng)計(jì)的25起韓國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能電站事故中，電化學(xué)儲(chǔ)能電站事故中的鋰離子電池均為三元鋰電池。與此同時(shí)，電池管理系統(tǒng)或預(yù)警系統(tǒng)存在缺陷，可能導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理異常情況。
在統(tǒng)計(jì)的事故中，美國(guó)共發(fā)生 25 起火災(zāi)爆炸事故：其次是中國(guó)，共發(fā)生 13 起，歐盟國(guó)家共發(fā)生17起事故。從發(fā)生事故所用電池類型來(lái)看，美國(guó)一半以上的儲(chǔ)能電站事故使用的儲(chǔ)能電池為三元鋰電池，而中國(guó)和歐盟國(guó)家儲(chǔ)能電站大部分使用磷酸鐵鋰電池。從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面分析，德國(guó)、日本是在IEC/EN62619基礎(chǔ)上，根據(jù)自身國(guó)家的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行補(bǔ)充，運(yùn)用到本國(guó)，在儲(chǔ)能電池的機(jī)械安全要求較多，美國(guó)和加拿大采用UL 1973，UL 9540A等系列標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)儲(chǔ)能電池環(huán)境測(cè)試和熱失控測(cè)試較全面, 中國(guó)目前采用是GB/T 36276、GB/T 34131等標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)更注意測(cè)試結(jié)果。
2023年，中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)、日本為全球電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)的前五大國(guó)家，裝機(jī)規(guī)模也是影響美國(guó)事故多發(fā)的一個(gè)因素，儲(chǔ)能電站的規(guī)模越大，電池?cái)?shù)量越多，排列相對(duì)密集，單個(gè)電池發(fā)生故障時(shí)容易引發(fā)連鎖反應(yīng)，增加整體系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，此外，大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的管理和監(jiān)測(cè)難度也更大，需要更高效和精確的電池管理系統(tǒng)來(lái)避免過(guò)充、過(guò)放等問(wèn)題。
圖 各國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能電站事故發(fā)生數(shù)
04
運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)及原因分析
電站分為建設(shè)、調(diào)試、運(yùn)行和維護(hù)階段。系統(tǒng)集成、施工運(yùn)維到安全管理等方面可能存在的缺陷也不容忽視。根據(jù)事故信息可知，韓國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能電站事故多數(shù)發(fā)生在充電中或充電后靜置過(guò)程中，電池長(zhǎng)期在高電流密度下快速充電或低溫下充電，電池負(fù)極表面容易形成鋰枝晶，鋰枝晶的生長(zhǎng)易刺破電池隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)短路，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故。由下圖可見(jiàn)，大部分的事故均發(fā)生在電化學(xué)儲(chǔ)能電站正常運(yùn)行期間，事故數(shù)為72起，占統(tǒng)計(jì)事故總數(shù)的80.0%。此外，有研究表明，相對(duì)于不加連接方式，并聯(lián)方式會(huì)加速鋰離子電池?zé)崾Э芈?，因此，需重點(diǎn)關(guān)注電化學(xué)儲(chǔ)能電站運(yùn)行期間的電池狀態(tài)。運(yùn)行期間的事故可能是由于以下原因：
(1)長(zhǎng)期運(yùn)行的累計(jì)效應(yīng)：電化學(xué)儲(chǔ)能電站在運(yùn)行期間，儲(chǔ)能電池會(huì)經(jīng)歷成千上萬(wàn)次的充放電循環(huán)，這種長(zhǎng)期的循環(huán)會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部材料逐漸退化，電池安全性能遞減，從而增大電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)。
(2)高溫環(huán)境的影響：電化學(xué)儲(chǔ)能電站在運(yùn)行期間，電池持續(xù)產(chǎn)生熱量，若電化學(xué)儲(chǔ)能電站的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理或運(yùn)行期間出現(xiàn)故障問(wèn)題，電化學(xué)儲(chǔ)能電站局部溫度可能會(huì)持續(xù)升高，高溫環(huán)境同時(shí)也會(huì)加速電池老化，多種不利環(huán)境降低了電化學(xué)儲(chǔ)能電站的整體安全性，增大了儲(chǔ)能電池的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。
(3)系統(tǒng)負(fù)荷變化：電化學(xué)儲(chǔ)能電站在運(yùn)行期間可能會(huì)面臨不同的負(fù)荷需求和工作模式，如頻繁的充放電、深度放電等情況，這些負(fù)荷變化會(huì)對(duì)電池系統(tǒng)造成更大的壓力和挑戰(zhàn)，進(jìn)而增加了電化學(xué)儲(chǔ)能電站的故障與事故風(fēng)險(xiǎn)。
(4)預(yù)警系統(tǒng)的可靠性不足：電化學(xué)儲(chǔ)能電站的預(yù)警系統(tǒng)和安全保護(hù)措施在運(yùn)行階段需要持續(xù)穩(wěn)定地工作，預(yù)警系統(tǒng)的失效或誤報(bào)均可能引起事故。例如，電池在運(yùn)行期間溫度持續(xù)上升，而預(yù)警系統(tǒng)發(fā)生故障，無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)熱失控的早期跡象，進(jìn)而導(dǎo)致電化學(xué)儲(chǔ)能電站故障演化為事故。因此，為了保證電化學(xué)儲(chǔ)能電站的安全運(yùn)行，需加強(qiáng)對(duì)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的維護(hù)，定期檢查和更新設(shè)備，不斷完善預(yù)警系統(tǒng)。
(5)高SoC易導(dǎo)致過(guò)充：根據(jù)調(diào)查報(bào)告，約60%事故是在充電等待后發(fā)生，一方面，電池處于較高的SoC下易發(fā)生熱失控，當(dāng)部分電池出現(xiàn)一致性差等缺陷時(shí)，容易出現(xiàn)過(guò)充現(xiàn)象。
圖 電化學(xué)儲(chǔ)能電站狀態(tài)統(tǒng)計(jì)
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事故致因統(tǒng)計(jì)及原因分析
電化學(xué)儲(chǔ)能電站的安全問(wèn)題是系統(tǒng)性問(wèn)題，事故的發(fā)生往往由多因素交互作用導(dǎo)致的。這些因素往往會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池的三種濫用進(jìn)而誘發(fā)鋰離子電池?zé)崾Э?。本文?90 起事故按照設(shè)備因素、環(huán)境因素及人為因素進(jìn)行劃分統(tǒng)計(jì)。
設(shè)備因素主要來(lái)自電池本體和電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)絕緣性等，電池本體因素主要是由電池瑕疵和本體老化構(gòu)成。由于儲(chǔ)能電池在制造過(guò)程遺留的瑕疵，比如在涂布工藝過(guò)程中金屬污染物顆粒的摻入、隔膜太薄、正負(fù)極流體邊緣毛刺等缺陷，都會(huì)導(dǎo)致電池的一致性變差，部分儲(chǔ)能電池選用梯次利用的動(dòng)力電池，導(dǎo)致電池的老化問(wèn)題日益凸顯；電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)主要是在外部電力沖擊下，鋰離子電池保護(hù)裝置內(nèi)多數(shù)元器件受損，導(dǎo)致鋰離子電池保護(hù)裝置內(nèi)的直流接觸器爆炸；冷卻系統(tǒng)損壞后導(dǎo)致絕緣性降低，容易導(dǎo)致外短路，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。此外火災(zāi)前景，水噴淋裝置誤報(bào)觸發(fā)也可能導(dǎo)致電池系統(tǒng)外短路進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。
環(huán)境因素主要由于雨水滲入、周圍鍋樓房爆炸等原因，進(jìn)一步引發(fā)鋰離子電池火災(zāi)事故。
在已知的因素中，人為因素是導(dǎo)致電化學(xué)儲(chǔ)能電站事故的主要因素，在90起電化學(xué)儲(chǔ)能電站事故中,有38起事故的直接和間接原因是由人為因素導(dǎo)致,占比43.3%。相關(guān)原因如下：
(1)人員操作失誤：電化學(xué)儲(chǔ)能電站的工作人員可能缺乏相關(guān)的培訓(xùn)，如誤操作、忽視安全規(guī)程等。這些失誤會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能電池出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放或短路等安全問(wèn)題。2018年8月某日，中國(guó)某市磷酸鐵鋰電池倉(cāng)在施工調(diào)試過(guò)程中發(fā)生火災(zāi)，事故是因?yàn)椴僮魅藛T反接電池導(dǎo)致過(guò)充電。2024年4月某日，中國(guó)某市集裝箱磷酸鐵鋰電池模組發(fā)生火災(zāi)，員工施工調(diào)試設(shè)備時(shí)誤操作致使消防水泵動(dòng)作，引發(fā)高壓細(xì)水霧滅火系統(tǒng)噴水，造成電池組內(nèi)磷酸鐵鋰電池遇水短路故障。
（2）安全管理體系不健全：目前，各國(guó)正不斷完善電化學(xué)儲(chǔ)能電站的各個(gè)階段的法律法規(guī)，隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，缺乏有效的安全管理體系和監(jiān)管機(jī)構(gòu)，將導(dǎo)致員工忽視安全管理問(wèn)題。例如，國(guó)家能源局綜合司發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全管理的通知》中提出，業(yè)主(項(xiàng)目法人)是電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全運(yùn)行的責(zé)任主體，要將納入備案管理的電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全管理納入企業(yè)安全管理體系，健全安全生產(chǎn)保證體系及監(jiān)督體系。建在高山、沿海地區(qū)的EESSs如果管理不善，水分、粉塵、鹽水等不斷侵入電池系統(tǒng)，將導(dǎo)致電池系統(tǒng)絕緣性不斷降低，可能引發(fā)火災(zāi)。在設(shè)計(jì)階段，EESSs就應(yīng)建立綜合管理體系。
(3)應(yīng)急響應(yīng)不及時(shí)：發(fā)生緊急情況時(shí)，若操作人員缺乏有效的應(yīng)急響應(yīng)和處理能力，可能會(huì)擴(kuò)大事故。例如,北京“4.16”電化學(xué)儲(chǔ)能電站爆炸事故中，員工缺乏應(yīng)急演練，采用干粉滅火劑撲救南樓的火災(zāi)，不能及時(shí)撲滅初期火災(zāi)，導(dǎo)致南樓火勢(shì)增大。南樓熱失控氣體通過(guò)電纜溝輸送至北樓，這些可燃?xì)怏w在北樓遇到電火花發(fā)生爆炸。
(4)安全意識(shí)不足：操作人員和管理人員的安全意識(shí)不足，可能會(huì)導(dǎo)致人員對(duì)潛在安全風(fēng)險(xiǎn)的忽視。例如，部分事故中，儲(chǔ)能電池發(fā)生電池組漏液、過(guò)熱、冒煙等現(xiàn)象操作人員并未及時(shí)消除熱失控早期的安全隱患。
