中國儲能網(wǎng)訊：
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鋰離子電池具有電解液的熱不穩(wěn)定性、電化學反應的放熱性等缺點，當鋰離子電池遭遇電濫用、機械濫用、自身缺陷、老化破損時，電池內(nèi)部材料的物理與化學性質(zhì)可能發(fā)生變化，導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，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儲能電站事故案例，從電池類型、事故發(fā)生的國家、事故發(fā)生時電化學儲能電站狀態(tài)、事故致因4個方面進行統(tǒng)計分析，提出針對性的預防措施，為后續(xù)降低電化學儲能電站事故風險提供參考。
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電池類型統(tǒng)計及原因分析
1、電化學儲能電站事故中儲能電池類型統(tǒng)計及原因分析
為滿足高速增長的能源需求，電化學儲能電站普遍選擇高能量密度的電池作為儲能單元，在此過程中往往忽視了其潛在的安全風險，儲能電站的事故類型主要包括火災、爆炸、中毒、燙傷、連鎖反應等，考慮全球范圍內(nèi)統(tǒng)計范圍大，相對于其他事故類型，火災、爆炸事故產(chǎn)生的后果比較嚴重，為保證統(tǒng)計的準確性和代表性，僅對火災、爆炸事故進行了統(tǒng)計。在事故統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，火災和爆炸有時存在相繼發(fā)生的現(xiàn)象，因此，本文將事故后果分為三類：火災事故、爆炸事故以及火災爆炸事故，統(tǒng)計結(jié)果如下圖所示。鋰離子電池發(fā)生火災事故的數(shù)量遠遠高于爆炸事故的數(shù)量，此外，三元鋰電池更容易造成儲能電站事故，85起已知鋰離子電池種類的電化學儲能電站事故中，由三元鋰電池引起的電化學儲能電站事故數(shù)達 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，三元鋰電池熱失控觸發(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，三元鋰電池熱失控的敏感性將會提高，電壓突變更快，危險性也變得越發(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，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熱失控過程中其正極材料分解產(chǎn)生氧氣，加快了三元鋰電池內(nèi)部的化學反應。相對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熱蔓延過程產(chǎn)生的熱量更多。
（3）三元鋰電池熱失控會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熱失控產(chǎn)氣量是磷酸鐵鋰電池的2倍以上，因此，在一個受限的空間內(nèi)，三元鋰電池熱失控產(chǎn)生的可燃性氣體更容易達到爆炸下限，增大了三元鋰電池發(fā)生火災、爆炸的風險。
基于三元鋰電池的上述特性，其在安全性方面需要更加嚴格的監(jiān)管。因此，國家能源局綜合司2022年6月29日發(fā)布關(guān)于征求《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求(2022年版) (征求意見稿) 》意見的函，其中提到中大型電化學儲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力電池，選用梯次利用動力電池時，應進行一致性篩選并結(jié)合溯源數(shù)據(jù)進行安全評估。在國家政策的要求下，我國電化學儲能電站火災爆炸事故數(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險更值得關(guān)注，這是由于磷酸鐵鋰電池熱失控氣體的爆炸范圍更寬。
圖 事故中鋰離子電池類型分布
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發(fā)生國家統(tǒng)計及原因分析
經(jīng)統(tǒng)計，電化學儲能電站火災爆炸事故發(fā)生在韓國、美國、中國、澳大利亞、法國、德國、比利時、瑞典、英國、新加坡。由下圖可知，韓國最多，發(fā)生的事故數(shù)高達34起，占比統(tǒng)計數(shù)量37.8%。可能原因有以下幾個方面：
2013年，韓國的儲能項目不足30個，韓國在其可再生能源證書獎勵政策激勵下，對儲能項目的大力推廣，在一定程度上催生了行業(yè)快速發(fā)展，截至2019年，韓國的儲能項目已經(jīng)快速攀升至1490個。根據(jù)事故調(diào)查報告，電池缺陷、電機保護系統(tǒng)不良、經(jīng)營環(huán)境不足、安裝疏忽、儲能系統(tǒng)管理不善是導致儲能電站事故的原因。電池自身的安全問題也是導致事故頻發(fā)的一個重要因素，韓國電化學儲能電站多選用三元鋰電池，這主要因為韓國各大電池企業(yè)以三元鋰電池為主流產(chǎn)品，根據(jù)中國能源網(wǎng)統(tǒng)計的25起韓國電化學儲能電站事故中，電化學儲能電站事故中的鋰離子電池均為三元鋰電池。與此同時，電池管理系統(tǒng)或預警系統(tǒng)存在缺陷，可能導致無法及時發(fā)現(xiàn)并處理異常情況。
在統(tǒng)計的事故中，美國共發(fā)生 25 起火災爆炸事故：其次是中國，共發(fā)生 13 起，歐盟國家共發(fā)生17起事故。從發(fā)生事故所用電池類型來看，美國一半以上的儲能電站事故使用的儲能電池為三元鋰電池，而中國和歐盟國家儲能電站大部分使用磷酸鐵鋰電池。從技術(shù)標準方面分析，德國、日本是在IEC/EN62619基礎(chǔ)上，根據(jù)自身國家的發(fā)展狀況進行補充，運用到本國，在儲能電池的機械安全要求較多，美國和加拿大采用UL 1973，UL 9540A等系列標準，對儲能電池環(huán)境測試和熱失控測試較全面, 中國目前采用是GB/T 36276、GB/T 34131等標準，中國標準更注意測試結(jié)果。
2023年，中國、美國、德國、韓國、日本為全球電化學儲能累計裝機的前五大國家，裝機規(guī)模也是影響美國事故多發(fā)的一個因素，儲能電站的規(guī)模越大，電池數(shù)量越多，排列相對密集，單個電池發(fā)生故障時容易引發(fā)連鎖反應，增加整體系統(tǒng)的安全風險，此外，大規(guī)模儲能系統(tǒng)的管理和監(jiān)測難度也更大，需要更高效和精確的電池管理系統(tǒng)來避免過充、過放等問題。
圖 各國電化學儲能電站事故發(fā)生數(shù)
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運行狀態(tài)統(tǒng)計及原因分析
電站分為建設(shè)、調(diào)試、運行和維護階段。系統(tǒng)集成、施工運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，韓國電化學儲能電站事故多數(shù)發(fā)生在充電中或充電后靜置過程中，電池長期在高電流密度下快速充電或低溫下充電，電池負極表面容易形成鋰枝晶，鋰枝晶的生長易刺破電池隔膜，導致電池內(nèi)短路，進而引發(fā)火災、爆炸事故。由下圖可見，大部分的事故均發(fā)生在電化學儲能電站正常運行期間，事故數(shù)為72起，占統(tǒng)計事故總數(shù)的80.0%。此外，有研究表明，相對于不加連接方式，并聯(lián)方式會加速鋰離子電池熱失控蔓延，因此，需重點關(guān)注電化學儲能電站運行期間的電池狀態(tài)。運行期間的事故可能是由于以下原因：
(1)長期運行的累計效應：電化學儲能電站在運行期間，儲能電池會經(jīng)歷成千上萬次的充放電循環(huán)，這種長期的循環(huán)會導致電池內(nèi)部材料逐漸退化，電池安全性能遞減，從而增大電池熱失控的風險。
(2)高溫環(huán)境的影響：電化學儲能電站在運行期間，電池持續(xù)產(chǎn)生熱量，若電化學儲能電站的散熱系統(tǒng)設(shè)計不合理或運行期間出現(xiàn)故障問題，電化學儲能電站局部溫度可能會持續(xù)升高，高溫環(huán)境同時也會加速電池老化，多種不利環(huán)境降低了電化學儲能電站的整體安全性，增大了儲能電池的熱失控風險。
(3)系統(tǒng)負荷變化：電化學儲能電站在運行期間可能會面臨不同的負荷需求和工作模式，如頻繁的充放電、深度放電等情況，這些負荷變化會對電池系統(tǒng)造成更大的壓力和挑戰(zhàn)，進而增加了電化學儲能電站的故障與事故風險。
(4)預警系統(tǒng)的可靠性不足：電化學儲能電站的預警系統(tǒng)和安全保護措施在運行階段需要持續(xù)穩(wěn)定地工作，預警系統(tǒng)的失效或誤報均可能引起事故。例如，電池在運行期間溫度持續(xù)上升，而預警系統(tǒng)發(fā)生故障，無法及時發(fā)現(xiàn)熱失控的早期跡象，進而導致電化學儲能電站故障演化為事故。因此，為了保證電化學儲能電站的安全運行，需加強對儲能電池系統(tǒng)的維護，定期檢查和更新設(shè)備，不斷完善預警系統(tǒng)。
(5)高SoC易導致過充：根據(jù)調(diào)查報告，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，當部分電池出現(xiàn)一致性差等缺陷時，容易出現(xiàn)過充現(xiàn)象。
圖 電化學儲能電站狀態(tài)統(tǒng)計
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事故致因統(tǒng)計及原因分析
電化學儲能電站的安全問題是系統(tǒng)性問題，事故的發(fā)生往往由多因素交互作用導致的。這些因素往往會導致鋰離子電池的三種濫用進而誘發(fā)鋰離子電池熱失控。本文將 90 起事故按照設(shè)備因素、環(huán)境因素及人為因素進行劃分統(tǒng)計。
設(shè)備因素主要來自電池本體和電機保護系統(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。由于儲能電池在制造過程遺留的瑕疵，比如在涂布工藝過程中金屬污染物顆粒的摻入、隔膜太薄、正負極流體邊緣毛刺等缺陷，都會導致電池的一致性變差，部分儲能電池選用梯次利用的動力電池，導致電池的老化問題日益凸顯；電機保護系統(tǒng)主要是在外部電力沖擊下，鋰離子電池保護裝置內(nèi)多數(shù)元器件受損，導致鋰離子電池保護裝置內(nèi)的直流接觸器爆炸；冷卻系統(tǒng)損壞后導致絕緣性降低，容易導致外短路，進而引發(fā)火災。此外火災前景，水噴淋裝置誤報觸發(fā)也可能導致電池系統(tǒng)外短路進而引發(fā)火災。
環(huán)境因素主要由于雨水滲入、周圍鍋樓房爆炸等原因，進一步引發(fā)鋰離子電池火災事故。
在已知的因素中，人為因素是導致電化學儲能電站事故的主要因素，在90起電化學儲能電站事故中,有38起事故的直接和間接原因是由人為因素導致,占比43.3%。相關(guān)原因如下：
(1)人員操作失誤：電化學儲能電站的工作人員可能缺乏相關(guān)的培訓，如誤操作、忽視安全規(guī)程等。這些失誤會導致儲能電池出現(xiàn)過充、過放或短路等安全問題。2018年8月某日，中國某市磷酸鐵鋰電池倉在施工調(diào)試過程中發(fā)生火災，事故是因為操作人員反接電池導致過充電。2024年4月某日，中國某市集裝箱磷酸鐵鋰電池模組發(fā)生火災，員工施工調(diào)試設(shè)備時誤操作致使消防水泵動作，引發(fā)高壓細水霧滅火系統(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，各國正不斷完善電化學儲能電站的各個階段的法律法規(guī)，隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，缺乏有效的安全管理體系和監(jiān)管機構(gòu)，將導致員工忽視安全管理問題。例如，國家能源局綜合司發(fā)布的《關(guān)于加強電化學儲能電站安全管理的通知》中提出，業(yè)主(項目法人)是電化學儲能電站安全運行的責任主體，要將納入備案管理的電化學儲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)，將導致電池系統(tǒng)絕緣性不斷降低，可能引發(fā)火災。在設(shè)計階段，EESSs就應建立綜合管理體系。
(3)應急響應不及時：發(fā)生緊急情況時，若操作人員缺乏有效的應急響應和處理能力，可能會擴大事故。例如,北京“4.16”電化學儲能電站爆炸事故中，員工缺乏應急演練，采用干粉滅火劑撲救南樓的火災，不能及時撲滅初期火災，導致南樓火勢增大。南樓熱失控氣體通過電纜溝輸送至北樓，這些可燃氣體在北樓遇到電火花發(fā)生爆炸。
(4)安全意識不足：操作人員和管理人員的安全意識不足，可能會導致人員對潛在安全風險的忽視。例如，部分事故中，儲能電池發(fā)生電池組漏液、過熱、冒煙等現(xiàn)象操作人員并未及時消除熱失控早期的安全隱患。
