中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
一、前言
在全球碳中和與產(chǎn)業(yè)升級(jí)浪潮的驅(qū)動(dòng)下，能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已成為不可逆的時(shí)代命題。儲(chǔ)能技術(shù)作為新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵支撐，通過(guò)平抑新能源波動(dòng)、優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行，正從“配套角色”躍升為能源革命的核心基礎(chǔ)設(shè)施。2023年，全球儲(chǔ)能新增裝機(jī)規(guī)模首超歷史累計(jì)，我國(guó)以51 GWh貢獻(xiàn)近半數(shù)增量，領(lǐng)跑全球市場(chǎng)；2024年，我國(guó)新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模首次超過(guò)了抽水蓄能，達(dá)到78.3 GW/184.2 GWh，其中新增投運(yùn)規(guī)模為43.7 GW/109.8 GWh，同比翻了一番。隨著新型儲(chǔ)能的規(guī)?；瘮U(kuò)張與技術(shù)迭代，其安全隱患也在增長(zhǎng)。以鋰離子電池儲(chǔ)能為代表的技術(shù)路線雖占據(jù)主導(dǎo)，卻因熱失控頻發(fā)安全事故，造成人員傷亡與巨額經(jīng)濟(jì)損失，致使產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展與安全防控滯后的尖銳矛盾愈發(fā)凸顯。
立足“雙碳”目標(biāo)與新型能源體系建設(shè)需求，破解鋰離子電池儲(chǔ)能安全困局不僅關(guān)乎技術(shù)迭代，更是國(guó)家能源戰(zhàn)略安全的必然選擇。因此深入理解鋰離子電池儲(chǔ)能安全風(fēng)險(xiǎn)、探討安全防控技術(shù)壁壘與實(shí)踐挑戰(zhàn)極具迫切性。已有研究針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)安全等進(jìn)行了總結(jié)，但對(duì)爆炸風(fēng)險(xiǎn)、安全評(píng)價(jià)和安全防控新技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)等問(wèn)題關(guān)注不足。本文從“機(jī)理 ? 評(píng)估 ? 防控”三個(gè)維度構(gòu)建研究框架，系統(tǒng)解構(gòu)鋰離子電池儲(chǔ)能火災(zāi)爆炸事故誘因與發(fā)展機(jī)制，分析“單體失效 ? 系統(tǒng)擴(kuò)散”的危險(xiǎn)性，總結(jié)“本征安全 ? 監(jiān)測(cè)預(yù)警 ? 多級(jí)防護(hù)”技術(shù)現(xiàn)狀與關(guān)鍵問(wèn)題，進(jìn)而凝練相關(guān)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、提出行業(yè)發(fā)展建議，以期為儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)由“規(guī)模優(yōu)先”向“安全為基”的范式轉(zhuǎn)型提供理論支撐與實(shí)踐路徑，提升鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)“全生命周期 ? 全場(chǎng)景覆蓋”的安全韌性。相應(yīng)研究框架如圖1所示。
圖1 鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)發(fā)展研究框架
二、鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)爆炸事故誘因
由熱、電、機(jī)械等濫用條件或電池內(nèi)部缺陷／污染發(fā)展觸發(fā)的熱失控是電化學(xué)儲(chǔ)能事故發(fā)生的起點(diǎn)。在電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，熱濫用、電濫用、機(jī)械濫用與內(nèi)短路之間呈現(xiàn)互為因果的鏈?zhǔn)绞шP(guān)系，熱濫用是導(dǎo)致熱失控的直接原因，內(nèi)短路一般是三種濫用形式下的共性特征。其中，電濫用（如過(guò)充、過(guò)放、大倍率運(yùn)行）通過(guò)誘發(fā)鋰枝晶生長(zhǎng)或集流體腐蝕引發(fā)內(nèi)短路；機(jī)械濫用（如碰撞、擠壓）直接破壞電池結(jié)構(gòu)完整性，導(dǎo)致電極短路；熱濫用（如局部過(guò)熱、環(huán)境高溫）則促使隔膜熔融收縮或電解液分解，加劇內(nèi)短路風(fēng)險(xiǎn)。內(nèi)短路形成后，焦耳熱與化學(xué)反應(yīng)熱的耦合釋放將進(jìn)一步觸發(fā)熱失控，形成自強(qiáng)化惡性循環(huán)。內(nèi)部缺陷／污染會(huì)導(dǎo)致自誘發(fā)內(nèi)短路，但其潛伏期較長(zhǎng)，機(jī)制復(fù)雜尚未清楚揭示，目前針對(duì)自誘發(fā)內(nèi)短路的替代測(cè)試、建模和診斷方法仍是研究重點(diǎn)。在儲(chǔ)能電站中，熱濫用可能源于散熱設(shè)計(jì)缺陷、熱管理系統(tǒng)失效或異常環(huán)境溫升；電濫用常由電池管理系統(tǒng)（BMS）保護(hù)閾值失準(zhǔn)、電網(wǎng)波動(dòng)或功率調(diào)度策略不當(dāng)、電池間的不一致性、水浸泡、配套電氣設(shè)施的拉弧短路和對(duì)地故障等引發(fā)；機(jī)械濫用則多與運(yùn)輸安裝損傷、結(jié)構(gòu)老化形變或外部沖擊（如地震、異物侵入）相關(guān)。
在正常使用條件下，電池由于內(nèi)阻的存在會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，但相對(duì)可控。然而在濫用條件下，由于內(nèi)短路或正負(fù)極之間的化學(xué)反應(yīng)串?dāng)_，電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量積累，引起一系列副反應(yīng)，如固體電解質(zhì)界面（SEI）膜分解、負(fù)極 ? 電解液反應(yīng)、隔膜熔化、正極分解反應(yīng)、電解質(zhì)溶液分解反應(yīng)、負(fù)極與黏接劑反應(yīng)等，釋放出大量熱量。在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，單節(jié)電池發(fā)生熱失控釋放的熱量通過(guò)對(duì)流、輻射、傳導(dǎo)等形式將熱傳遞到相鄰電池，當(dāng)發(fā)生熱失控電池周?chē)碾姵販囟冗_(dá)到熱失控觸發(fā)溫度時(shí)，即誘發(fā)電池間的熱失控蔓延（TRP），甚至進(jìn)一步造成整個(gè)模組和電池包的熱失控。
電池?zé)崾Э剡^(guò)程中會(huì)伴生產(chǎn)氣和排氣行為。一般鋰電池?zé)崾Э睾螽a(chǎn)生氣體的主要成分是H2、CO2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6和電解液蒸氣等，同時(shí)可能含有HF、HCl等有毒氣體；各組分含量由于電池狀態(tài)、電池容量、測(cè)量環(huán)境、測(cè)試手段等不同而有所區(qū)別，一般H2、CO2、CO三種組分的含量居前。在排氣前，可將電池看作一個(gè)封閉系統(tǒng)，隨著電池內(nèi)部壓力的增加，電池會(huì)發(fā)生膨脹變形。電池內(nèi)部的壓力達(dá)到一定閾值后，安全閥打開(kāi)，副反應(yīng)產(chǎn)生的氣體和電解液噴出，同時(shí)也會(huì)有一些內(nèi)部反應(yīng)物的固體顆粒，此時(shí)電池變?yōu)橐粋€(gè)開(kāi)放體系，但由于內(nèi)部溫度仍然較高，電解液會(huì)繼續(xù)蒸發(fā)。
當(dāng)鋰離子電池排放的可燃?xì)怏w遇到點(diǎn)火源時(shí)，如噴射的高溫固體顆粒，甚至電池高溫表面，噴射氣體就會(huì)燃燒形成噴射火。此外，電池噴發(fā)過(guò)程可能改變電弧形成的介質(zhì)氛圍、破壞電氣部件絕緣包覆、改變電氣間距，使擊穿電弧更容易發(fā)生，從而點(diǎn)燃可燃?xì)怏w。如果氣體在排放后沒(méi)有立即被點(diǎn)燃，混合氣體會(huì)向周?chē)鷶U(kuò)散或積聚在受限空間，當(dāng)濃度達(dá)到爆炸極限時(shí)，在存在上述點(diǎn)火源的情況下將產(chǎn)生爆炸。在熱失控蔓延初期，電池包安全閥開(kāi)啟后進(jìn)入電池包的空氣量有限，可能火勢(shì)并不明顯，但是電池排氣噴出的高溫顆粒物吸附在電池包頂板，由于溫度遠(yuǎn)高于氣體溫度，顆粒物對(duì)電池包頂板的傳熱會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)失效，即火焰“燒穿”電池包。當(dāng)電池包結(jié)構(gòu)失效后，大量空氣與熱失控氣體混合，產(chǎn)生劇烈的燃燒現(xiàn)象。
三、鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)爆炸特性分析
（一）單體電池火災(zāi)爆炸特性分析
研究表明，一般情況下不同正極材料的熱穩(wěn)定性順序?yàn)榱姿徼F鋰（LFP）>錳酸鋰（LMO）>鎳鈷錳酸鋰（NCM）>鎳鈷鋁（NCA）>鈷酸鋰（LCO）。高鎳氧化物正極材料LiNixM1-xO2（x≥0.8，M=Co，Mn，Al，Mg等）具有更高的能量密度和電導(dǎo)率，即使在較低溫度下也能延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。然而隨著鎳含量的增加，正極材料熱穩(wěn)定性變差，針對(duì)此類正極材料的熱穩(wěn)定性評(píng)估和熱安全性改善仍是當(dāng)前的研究重點(diǎn)。
電動(dòng)汽車(chē)中常采用的三元鋰電池的正極為層狀的NCM，在高溫下會(huì)發(fā)生相變并釋放大量活性氧與電解液和石墨負(fù)極發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生大量CO和CO2，推動(dòng)電池溫度迅速上升，電池內(nèi)部的熱失控強(qiáng)度一般較高，熱失控過(guò)程中的溫升速率和所能達(dá)到的最高溫度普遍高于LFP電池。而橄欖石形狀的LFP熱穩(wěn)定性好，發(fā)生熱失控的概率較低，所以目前國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能采用電池的主流技術(shù)類型為L(zhǎng)FP電池。但是LFP的氧化程度較低，強(qiáng)P—O共價(jià)鍵使LFP在熱失控時(shí)免于釋放大量O2，導(dǎo)致H2等還原性氣體無(wú)法在熱失控過(guò)程中被充分氧化，因此在大多數(shù)熱失控產(chǎn)氣測(cè)試中，LFP電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生氣體中的H2和C2H4含量高于NCM電池，而CO和CO2的含量相對(duì)較低。
電池?zé)崾Э貧怏w的燃爆危險(xiǎn)性可通過(guò)熱釋放速率、層流燃燒速度、爆炸極限和爆炸超壓等指標(biāo)來(lái)評(píng)估。相較于NCM電池，在過(guò)充和過(guò)熱條件下，氣體噴射是LFP電池?zé)崾Э氐闹饕袨?，一般不?huì)出現(xiàn)射流火。但在針刺條件下，穿刺針和電池外殼之間摩擦產(chǎn)生的火星可能點(diǎn)燃可燃?xì)怏w，火焰首先從刺孔處噴出，并在安全閥處形成射流火。由于實(shí)驗(yàn)條件和觸發(fā)方式的差異，不同研究測(cè)得的LFP電池火焰的峰值熱釋放速率表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性，但大體上隨著容量增加，峰值熱釋放速率逐漸升高，且對(duì)于200~300 Ah的大容量LFP電池，峰值熱釋放速率逐漸趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)研究表明，由于H2的最低爆炸極限（LEL）遠(yuǎn)低于CO，LFP電池?zé)崾Э貧怏w的爆炸極限相較于NCM電池更低，但NCM電池的爆炸上限（UEL）略高于LFP電池；LFP電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣的爆炸超壓更高，可能對(duì)相鄰電池、電池包甚至電池艙體的機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來(lái)更不利的影響；由于H2和C2H4的含量較高，LFP電池?zé)崾Э貧怏w層流燃燒速度更快。即不同正極材料電池內(nèi)部的熱失控強(qiáng)度和外部燃爆危險(xiǎn)性之間存在協(xié)調(diào)現(xiàn)象。因此，雖然LFP電池發(fā)生熱失控的概率較低，但一旦發(fā)生熱失控，其產(chǎn)生的氣體爆炸風(fēng)險(xiǎn)和危險(xiǎn)性更高。
除H2、C2H4等可燃?xì)怏w外，電解液蒸氣的危害也不容忽視，2021年北京大紅門(mén)儲(chǔ)能電站的火災(zāi)爆炸事故很大程度上歸咎于電解液蒸氣爆炸。鋰離子電池的電解液由有機(jī)溶劑、鋰鹽和添加劑三類物質(zhì)組成，碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）等碳酸酯類是最常用的有機(jī)溶劑。由于這些有機(jī)溶劑的沸點(diǎn)較低，在電池?zé)崾Э氐母邷叵聲?huì)迅速蒸發(fā)，安全閥開(kāi)啟后隨可燃?xì)怏w一起通過(guò)安全閥排出。有學(xué)者使用20 L球形爆炸容器測(cè)量了三種常見(jiàn)電解質(zhì)溶劑（DMC、EMC和DEC）的爆炸特性，并通過(guò)化學(xué)動(dòng)力學(xué)分析軟件Cantera對(duì)爆炸壓力結(jié)果進(jìn)行了理論分析，發(fā)現(xiàn)它們的爆炸強(qiáng)度參數(shù)與H2、CH4和C3H8相似且略高，但該研究未考慮多相混合爆炸危險(xiǎn)性。此后，有學(xué)者研究了可燃?xì)怏w與DMC混合的爆炸危險(xiǎn)性，研究結(jié)果表明，DMC的存在將增加混合物的爆炸危險(xiǎn)性。近期，有學(xué)者基于加速量熱儀實(shí)驗(yàn)確定了340 Ah LFP電池第一次排氣產(chǎn)物中的可燃?xì)怏w和電解液蒸氣兩種成分含量的真實(shí)比例，并基于該比例通過(guò)改進(jìn)的20 L爆炸球測(cè)定了混合物的爆炸特性參數(shù)。結(jié)果表明，在兩相系統(tǒng)的耦合爆炸中，EMC使系統(tǒng)更容易爆炸，具有更大的爆炸威力，而熱失控氣體擴(kuò)大了其爆炸濃度范圍。它們共同彌補(bǔ)了彼此在單相介質(zhì)爆炸參數(shù)上的不足，從而提高了兩相系統(tǒng)的爆炸危險(xiǎn)性。但是，上述研究大多采用100%荷電狀態(tài)（SOC）的電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且在排氣過(guò)后收集產(chǎn)物進(jìn)行分析，忽略了電池不同狀態(tài)（SOC、健康狀態(tài)（SOH））對(duì)排氣產(chǎn)物的影響以及電池排氣過(guò)程本身的動(dòng)態(tài)特征，并且相關(guān)的理論建模工作較為匱乏，對(duì)多相產(chǎn)物爆炸機(jī)理認(rèn)知尚存一定的局限性。
在排氣過(guò)程中，高溫的射流火焰可能會(huì)氧化固體顆粒并生成一些煙塵，其主要成分是碳。模擬研究表明，固體顆粒的存在會(huì)導(dǎo)致：可燃?xì)怏w點(diǎn)火時(shí)間延遲，火焰溫度上升減緩；射流火焰不再呈現(xiàn)規(guī)則的火炬形狀，存在顯著的湍流擾動(dòng)；相鄰電池表面的輻射和對(duì)流傳熱速率提高。因此，固體顆粒對(duì)相鄰電池的加熱效應(yīng)非常重要，這將對(duì)電池間的TRP產(chǎn)生影響。此外，固體顆粒粉塵的存在也會(huì)增加可燃?xì)怏w的爆炸危險(xiǎn)性。然而目前固體顆粒的噴射機(jī)制、傳熱貢獻(xiàn)以及多相產(chǎn)物之間的相互作用機(jī)理尚不清晰。
明確電池?zé)崾Э厝紵捅ㄌ匦允莾?chǔ)能系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)的前提。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的燃燒過(guò)程通常經(jīng)歷第一噴射火階段、穩(wěn)定燃燒階段、第二甚至第三噴射火階段、最終穩(wěn)定燃燒階段以及熄滅階段，多階段的噴射火焰是鋰離子電池燃燒的特殊現(xiàn)象。隨著SOC的增加，燃燒反應(yīng)將更加劇烈，100%SOC電池的歸一化峰值熱釋放速率甚至與燃油相當(dāng)。該團(tuán)隊(duì)還通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）還原了火災(zāi)或爆炸前的氣體擴(kuò)散過(guò)程，研究表明，開(kāi)放空間中爆燃產(chǎn)生的火球引起了熱失控并噴射火焰。由于可燃區(qū)（燃料 ? 氧氣混合區(qū)）在安全閥打開(kāi)后迅速擴(kuò)大，爆燃傾向于發(fā)生于安全閥的上方位置，而非發(fā)生在安全閥處。因此，在電池包設(shè)計(jì)時(shí)，需避免可燃?xì)怏w在閥體上方形成混合聚集區(qū)，通過(guò)物理引導(dǎo)將可燃?xì)怏w快速分散至非敏感區(qū)域；結(jié)合LFP產(chǎn)氣特性優(yōu)化泄壓閥開(kāi)啟壓力閾值，平衡泄壓效率與氣體可燃風(fēng)險(xiǎn)。此外，應(yīng)制定可燃?xì)怏w擴(kuò)散狀態(tài)與爆燃能量的量化評(píng)估方法，建立不同通風(fēng)條件下的氣體危險(xiǎn)濃度閾值數(shù)據(jù)庫(kù)，探究多尺度通風(fēng)系統(tǒng)（電芯 ? 模組 ? 機(jī)柜 ? 集裝箱）的協(xié)同防護(hù)效能。
北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和理論建模，對(duì)開(kāi)放環(huán)境下NCM軟包電池的爆炸特性進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)爆炸沖擊波速隨著SOC的增大而增大，確定了爆燃到爆轟的邊界條件，建立了電池爆炸的等效TNT模型，提出了爆炸風(fēng)險(xiǎn)和災(zāi)害評(píng)估方法。電池包是封裝構(gòu)型，爆炸沖擊波可能會(huì)在電池包中來(lái)回反射并形成馬赫桿，爆燃將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼑?yán)重的爆轟，因而可考慮設(shè)置吸能材料來(lái)改進(jìn)電池包設(shè)計(jì)。此外，相關(guān)理論分析手段可為L(zhǎng)FP電池爆炸危險(xiǎn)性的分析提供參考。
（二）“模組 ? 包 ? 艙體”多層級(jí)火災(zāi)爆炸特性分析
對(duì)模組、電池包、電池簇和電池艙層級(jí)火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行分析的前提是明確熱失控多層級(jí)蔓延特性。對(duì)于模組和電池包層級(jí)的熱失控蔓延特性，目前多采用實(shí)驗(yàn)以及模擬方法進(jìn)行研究。而對(duì)于電池簇和電池艙層級(jí)的熱失控蔓延，實(shí)驗(yàn)成本和危險(xiǎn)性均不可控，一般采用數(shù)值模擬進(jìn)行研究，目前僅陽(yáng)光電源股份有限公司和比亞迪股份有限公司等公司公開(kāi)報(bào)道了針對(duì)單個(gè)和多個(gè)儲(chǔ)能艙體的大規(guī)模燃燒測(cè)試。
目前，對(duì)模組內(nèi)熱失控在不同影響因素下蔓延特性的探究相對(duì)充分，如分析了不同電池形狀（方形、軟包、圓柱）、不同電極體系（三元、LFP）、不同電池狀態(tài)（SOC、SOH）、電連接方式（串聯(lián)、并聯(lián)）、散熱條件（風(fēng)冷、液冷、相變冷卻）、熱失控觸發(fā)條件（加熱、針刺、過(guò)充）和空間狀態(tài)（封閉、開(kāi)放、半開(kāi)放）等對(duì)TRP的影響。① 相較于方形和軟包電池側(cè)面直接接觸加熱，圓柱電池的弧形表面減少了熱量傳遞。在圓柱電池模組中，TRP可能主要由電連接、噴出高溫物質(zhì)等因素影響，而對(duì)于方殼及軟包電池，傳熱可能是更重要的影響因素。② 相較于三元電池，LFP電池發(fā)生TRP的難度較大，針對(duì)不同SOC下LFP電池模組的TRP實(shí)驗(yàn)表明，只有在100% SOC下，才會(huì)發(fā)生TRP。③ 高SOC下，熱失控更加劇烈。老化會(huì)改變電池特性，增加電池發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，但是由于內(nèi)部活性材料的損失，熱失控劇烈程度低于新鮮電池，且熱失控特性與老化路徑相關(guān)。④ 并聯(lián)的電連接方式會(huì)加速TRP，促進(jìn)正在發(fā)生熱失控的電池釋放更多能量，還會(huì)縮短電池排氣和熱失控之間的時(shí)間間隔，不利于熱失控預(yù)警。⑤ 在電池?zé)崾Э赜|發(fā)后，將熱量進(jìn)行快速且合理的疏導(dǎo)，避免大量傳遞至臨近電池是抑制TRP的關(guān)鍵，目前主要有風(fēng)冷技術(shù)、液冷技術(shù)和相變冷卻技術(shù)。風(fēng)冷技術(shù)的研究主要關(guān)注基于強(qiáng)制空氣冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)改進(jìn)，包括電池排列和氣流通道設(shè)計(jì)。液冷技術(shù)的研究主要關(guān)注液體冷卻劑的選擇、流道的優(yōu)化、流速的優(yōu)化等。相變冷卻的研究主要關(guān)注解決相變材料（PCM）熱導(dǎo)率差、可用潛熱有限和易燃的缺點(diǎn)。通過(guò)添加金屬顆粒與碳納米管等高導(dǎo)熱添加劑可得到高熱導(dǎo)率的復(fù)合相變材料，通過(guò)將PCM與微通道冷板、液冷流體通道等其他組件集成可有效解決潛熱有限的問(wèn)題，可通過(guò)添加阻燃劑來(lái)降低易燃性。由于流體的熱導(dǎo)率更高，液體冷卻系統(tǒng)具有更明顯的散熱能力、更快的冷卻速度，所以液冷技術(shù)正成為目前儲(chǔ)能系統(tǒng)冷卻形式的主流選擇。同時(shí)，得益于高潛熱、高比熱、化學(xué)穩(wěn)定、無(wú)毒無(wú)腐蝕性，以及操作方便和維護(hù)成本低等特點(diǎn)，PCM近年來(lái)也逐步得到應(yīng)用，但仍需深入研究以探索大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的可行性。⑥ 不同觸發(fā)方式對(duì)模組前三節(jié)電池TRP行為產(chǎn)生影響，對(duì)后幾節(jié)電池的影響不大。⑦ 相較于封閉體系，開(kāi)放體系的電池爆炸、電池噴射出的火焰對(duì)其他電池影響較小，而受限空間內(nèi)的熱失控火焰將促進(jìn)模組內(nèi)熱失控的傳播。
當(dāng)某一模組完全失控并起火時(shí)，噴射火焰將引起并主導(dǎo)豎向熱失控傳播，進(jìn)而導(dǎo)致模組間的TRP行為。TRP一般表現(xiàn)出順序蔓延、無(wú)序蔓延和同步蔓延的傳播特征，其中順序蔓延和無(wú)序蔓延指空間尺度傳播特征，同步蔓延指時(shí)間尺度傳播特征。熱失控在空間尺度無(wú)序蔓延的同時(shí)，一般表現(xiàn)出同步蔓延的特點(diǎn)，即不同位置多個(gè)電池的熱失控在一個(gè)很小的時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)生。TRP初期，在相鄰電池固體傳熱主導(dǎo)下，觸發(fā)熱失控電池所在的下層模組一般表現(xiàn)出順序蔓延的特征；由于熱失控產(chǎn)生的火焰預(yù)熱效應(yīng)，上層模組的TRP加快，能量釋放更加集中，熱危害更大，但上層模組的TRP順序在不同實(shí)驗(yàn)中有所差別，即表現(xiàn)出同步蔓延和無(wú)序蔓延的特點(diǎn)。當(dāng)模組間TRP無(wú)法抑制時(shí)，可能進(jìn)一步形成電池包層級(jí)的TRP。由于同步蔓延期間能量釋放比較集中，對(duì)應(yīng)著更大的熱釋放率，因此在該蔓延期間，高溫?zé)熿F燒穿了電池包頂蓋，導(dǎo)致大量氣體進(jìn)入與可燃?xì)怏w混合，試驗(yàn)觀察到猛烈噴射火焰，電池外殼損壞和質(zhì)量損失更嚴(yán)重。然而，由于電池表面接觸傳熱、火焰、煙氣流動(dòng)等傳熱機(jī)制相互耦合以及電池排氣、內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程本身的隨機(jī)性，尚不清楚哪種類型的傳熱效應(yīng)在觸發(fā)熱失控中起關(guān)鍵作用。
電池包層級(jí)TRP特性的研究相對(duì)匱乏。相較于模組，TRP過(guò)程中電池包內(nèi)相鄰電池的傳熱量增加，意味著電池包內(nèi)可能更容易發(fā)生TRP。熱失控觸發(fā)方式同樣影響電池包TRP特性，過(guò)充條件比熱觸發(fā)條件更具危害性，因此對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電狀態(tài)的監(jiān)測(cè)極為重要。由于電池包是封裝的，在頂板的存在下，熱失控火焰將促進(jìn)TRP；此外，電池噴閥產(chǎn)物將在電池包上部空間積聚，合理的電池包通風(fēng)面積、空腔體積和通風(fēng)策略可使可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)維持在爆炸下限（LEL）以下，從而避免爆炸事故的發(fā)生。
對(duì)電池簇層級(jí)的火災(zāi)研究發(fā)現(xiàn)，單個(gè)電池包起火可能引發(fā)兩個(gè)非相鄰電池包之間的TRP，即電池包的熱失控能夠通過(guò)火焰輻射實(shí)現(xiàn)跳躍式傳播。如果電池包層級(jí)的熱失控未得到有效抑制，電池?zé)崾Э貒婇y產(chǎn)物和火焰可能將蔓延至整個(gè)儲(chǔ)能艙。已有研究基于FLACS等軟件分析可燃?xì)怏w在儲(chǔ)能艙內(nèi)的擴(kuò)散行為和可燃?xì)怏w探測(cè)器位置的優(yōu)化布置。Barowy等的實(shí)驗(yàn)表明，不斷擴(kuò)散的熱失控可能通過(guò)產(chǎn)生極易點(diǎn)燃的氣體環(huán)境而引發(fā)爆炸危險(xiǎn)，爆炸情景可能發(fā)生在單體電池排氣后的幾秒內(nèi)（即快速點(diǎn)火），也可能是在氣體長(zhǎng)時(shí)間積聚后發(fā)生的延遲點(diǎn)火，尤其是當(dāng)消防系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)更為常見(jiàn)。為防止儲(chǔ)能艙體的爆炸破壞造成更大范圍的災(zāi)害蔓延，需根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通風(fēng)和泄爆口設(shè)計(jì)，但是這些基于經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式的預(yù)測(cè)結(jié)果尚需提高精度。因此，中國(guó)石油大學(xué)（華東）團(tuán)隊(duì)基于OpenFOAM建立了三維全尺寸儲(chǔ)能艙燃燒模型，通過(guò)該模型評(píng)估了氣體爆炸對(duì)儲(chǔ)能艙結(jié)構(gòu)以及周?chē)h(huán)境的影響。此外，還基于熱阻網(wǎng)絡(luò)和CFD建立了儲(chǔ)能艙層級(jí)火蔓延的半降階模型（SROM），以較高的計(jì)算效率實(shí)現(xiàn)整艙火蔓延預(yù)測(cè)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，熱失控觸發(fā)位置對(duì)TRP及火災(zāi)行為具有顯著影響。當(dāng)熱失控在較高位置觸發(fā)時(shí)，失效電池的數(shù)量較少。相比角落位置，起源于電池簇中心的熱失控將引發(fā)更高的火災(zāi)發(fā)展速率和峰值熱釋放率。但是以上研究假設(shè)較多，難以反映真實(shí)情況，如未考慮氣體爆炸對(duì)熱失控傳播的影響；可燃?xì)怏w組分含量的設(shè)定基于真實(shí)電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣的比例，未考慮熱失控傳播過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化；未考慮電解液蒸氣和顆粒物等多相產(chǎn)物的影響等。
雖然對(duì)“電池單體 ? 模組 ? 電池包 ?艙體”多層級(jí)的TRP特性有了一定的認(rèn)識(shí)，但對(duì)模組及以上層級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性的量化分析較為匱乏，關(guān)鍵難點(diǎn)之一在于難以獲取電池噴閥速度、成分、多相溫度等邊界條件以及考慮排氣和熱失控傳播的隨機(jī)性，即儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性無(wú)法通過(guò)基于電池單體的分析簡(jiǎn)單擴(kuò)展得到。目前的一種做法是，基于一種氣體成分的產(chǎn)生只與一種化學(xué)反應(yīng)相關(guān)、氣體組分固定等假設(shè)，建立電池?zé)崾Э禺a(chǎn)氣、排氣等子模型，直接模擬電池噴閥，進(jìn)而通過(guò)CFD模擬熱失控產(chǎn)物在電池包內(nèi)的擴(kuò)散行為，獲取各成分含量變化情況，計(jì)算著火下限（LFL）、LEL等燃爆危險(xiǎn)性動(dòng)態(tài)變化指標(biāo)。另外一種方法是通過(guò)精心設(shè)計(jì)熱失控實(shí)驗(yàn)獲得上述邊界條件，然后將其作為CFD模型的輸入，消除了額外假設(shè)和電池子模型需求，在降低計(jì)算成本的同時(shí)提高準(zhǔn)確性，但實(shí)驗(yàn)方法的通用性還需進(jìn)一步探討。所以，由于機(jī)理認(rèn)知和模擬手段的局限性，仍不能實(shí)現(xiàn)熱失控傳播的多相多尺度耦合建模，尚不能準(zhǔn)確量化儲(chǔ)能系統(tǒng)的各層級(jí)燃爆危險(xiǎn)性。已有研究中，電連接形式、電池組布置方式、電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等因素也暫未得到充分考量。
四、鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)研究現(xiàn)狀
（一）電池本征安全
電池是儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本能量存儲(chǔ)單元，是儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和材料體系改進(jìn)等方面提高電池本體的安全性，是從根本上解決鋰離子電池儲(chǔ)能安全問(wèn)題的重要手段。
合理的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以提高能量密度、功率密度、循環(huán)壽命和安全性等關(guān)鍵性能指標(biāo)，最大限度發(fā)揮材料性能、抑制副反應(yīng)和衰減機(jī)制，從而提升綜合性能和使用壽命。如合理的CB值與N/P比設(shè)計(jì)等；通過(guò)設(shè)置正溫度系數(shù)（PTC）部件等斷路裝置，可在電池過(guò)流、過(guò)熱時(shí)自動(dòng)切斷電路，防止事故擴(kuò)大；設(shè)置安全閥等泄壓裝置，當(dāng)電池內(nèi)部壓力異常升高時(shí)，安全閥可以自動(dòng)開(kāi)啟，釋放氣體，防止電池爆炸。
鋰離子電池的制造工藝包括：正極和負(fù)極材料的混料、涂布、輥壓、裁片、卷繞或疊層、極耳焊接、注液、封口、化成、排氣、分容等步驟，其中每一道工序都可能導(dǎo)致電池內(nèi)阻升高或短路而形成安全性問(wèn)題。比如電極基體平整度差、活性材料中混入雜質(zhì)、極耳焊接不牢、極片邊緣有毛刺等問(wèn)題都會(huì)增大電池間的不一致性，影響電芯的安全性。在電池制造過(guò)程中控制正負(fù)極漿料配置、涂布質(zhì)量和干燥、壓片與切片以及電池裝配環(huán)節(jié)的規(guī)范性可減少制造缺陷，降低電池本身的安全隱患。
電池材料改進(jìn)是提高電池?zé)岱€(wěn)定性的重要手段。當(dāng)前一般通過(guò)摻雜（如Al摻雜）、表面涂層（如氟化物、磷酸鹽、固體氧化物）和表面包覆（金屬氧化物）等方法提高正極材料的熱穩(wěn)定性；大多數(shù)商業(yè)電池的負(fù)極材料是石墨等碳基材料。為提高負(fù)極材料穩(wěn)定性，有學(xué)者提出采用新型負(fù)極材料（如硅基材料），并通過(guò)多級(jí)碳結(jié)構(gòu)策略和共價(jià)包覆等手段提升其穩(wěn)定性；在熱失控過(guò)程中，電解液與電池正負(fù)極活性材料反應(yīng)，產(chǎn)生可燃?xì)怏w，釋放大量熱量。目前常見(jiàn)的做法是通過(guò)阻燃劑等添加劑改善電解液的安全性，如通過(guò)在電解液中添加抗氧化劑（如β-Ca）可以在保持電化學(xué)性能的同時(shí)，有效抑制高鎳NCM電池?zé)崾Э剡^(guò)程中由正極活性氧釋放引起的交叉反應(yīng)，阻止熱失控發(fā)生。固態(tài)電解液因其出色的結(jié)構(gòu)和熱穩(wěn)定性而受到研究者的青睞，有望從源頭解決電池安全性問(wèn)題。但固態(tài)電池并不絕對(duì)安全，如陶瓷固態(tài)電解質(zhì)仍面臨鋰枝晶生長(zhǎng)等問(wèn)題，美國(guó)桑迪亞（Sandia）國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)研究表明，在短路失效場(chǎng)景下，高能量密度配置固態(tài)電池的溫升可能會(huì)超過(guò)傳統(tǒng)鋰電池，引發(fā)更高的風(fēng)險(xiǎn)，因此固態(tài)電池?zé)崾Э貦C(jī)理仍需深入研究；常用的隔膜材料包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）或二者的復(fù)合材料。在電池濫用或高溫條件下，聚烯烴材料的隔膜可能會(huì)發(fā)生收縮，導(dǎo)致孔隙率降低，從而增加電池內(nèi)部短路的風(fēng)險(xiǎn)。為此，研究人員開(kāi)發(fā)了具有更好熱穩(wěn)定性的新型隔膜，如結(jié)合聚偏二氟乙烯（PVDF）和低成本無(wú)紡布（NWF）制成的復(fù)合隔膜以及通過(guò)多巴胺（PDA） ? 陶瓷復(fù)合改性隔膜，使隔膜即使在230 ℃時(shí)也無(wú)明顯熱收縮。在提高隔膜熱穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了多途徑控制熱失控反應(yīng)的新型隔膜，如Thermal-Coupled Overheating Response（TCOR）隔膜兼顧了高熱穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)熱性并可以通過(guò)熱響應(yīng)切斷電池內(nèi)部反應(yīng)，十溴聯(lián)苯乙烷—CaO雙面涂覆的PE隔膜具有抑制電解液的鏈?zhǔn)椒纸夥磻?yīng)、通過(guò)消除自由基有效撲滅火焰的雙重阻燃機(jī)制，使電池的火災(zāi)爆炸安全風(fēng)險(xiǎn)被進(jìn)一步降低。
除電池材料改進(jìn)、PTC等內(nèi)部安全策略，通過(guò)在電池內(nèi)部布置其他安全功能組件，可降低電池?zé)崾Э仫L(fēng)險(xiǎn)。如通過(guò)在軟包電池中加入溫度響應(yīng)毒化層（TPL）或冷卻功能隔膜（CFS），阻斷了電池?zé)崃糠e累早期還原性氣體對(duì)正極的“還原攻擊”路徑，在強(qiáng)制加熱條件下成功阻止了熱失控的發(fā)生。但上述內(nèi)部安全策略存在響應(yīng)速度慢、操作電壓窗口小、不可逆性等問(wèn)題，因此研究人員提出了一種基于熱響應(yīng)聚合物開(kāi)關(guān)（TRPS）的新型材料，該材料由電化學(xué)穩(wěn)定的石墨烯包覆的尖峰狀鎳納米顆粒和高熱膨脹系數(shù)的聚合物基質(zhì)組成，在正常溫度下，TRPS薄膜具有高導(dǎo)電性，電池可以正常充放電。然而，當(dāng)電池內(nèi)部溫度升高到TRPS材料的轉(zhuǎn)變溫度（如70 ℃）時(shí)，聚合物基質(zhì)發(fā)生熱膨脹，導(dǎo)致導(dǎo)電顆粒之間的接觸斷開(kāi)，電導(dǎo)率急劇下降，從而迅速切斷電流，防止電池過(guò)熱和熱失控。當(dāng)溫度降低后，聚合物基質(zhì)收縮，導(dǎo)電顆粒重新接觸，電導(dǎo)率恢復(fù)，電池可以繼續(xù)正常工作。為解決全固態(tài)鋰金屬電池中鋰枝晶生長(zhǎng)的問(wèn)題，研究人員提出了一種創(chuàng)新的界面工程設(shè)計(jì)策略：在正極與電解質(zhì)之間引入普魯士藍(lán)類過(guò)渡金屬捕獲層，能夠高效吸附正極溶解的過(guò)渡金屬離子，阻止其遷移至負(fù)極并誘發(fā)鋰枝晶成核。
（二）主被動(dòng)防控手段
1. 監(jiān)測(cè)預(yù)警
安全監(jiān)測(cè)技術(shù)通過(guò)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中各組件和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)可能的安全風(fēng)險(xiǎn)并作出應(yīng)對(duì)，對(duì)事故的發(fā)生起到一定的預(yù)防作用。目前的監(jiān)測(cè)手段主要基于BMS和各種傳感器實(shí)現(xiàn)。主要監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括溫度、氣體、電壓、變形、膨脹力等。
電池溫度可以通過(guò)熱電偶、熱敏電阻、電阻式溫度探測(cè)器（RTD）、薄膜傳感器和光纖傳感器等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中RTD、薄膜傳感器和光纖傳感器可以植入電池內(nèi)部來(lái)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部的溫度信號(hào)。當(dāng)電池發(fā)生熱失控時(shí)，其內(nèi)外溫差可能很大（相差數(shù)百攝氏度），電池內(nèi)部熱過(guò)程從開(kāi)始到轉(zhuǎn)移至電池表面的時(shí)間間隔可能有幾十秒，內(nèi)部和外部溫度的過(guò)大差異以及溫度傳播的延遲會(huì)導(dǎo)致預(yù)警、冷卻和滅火等安全措施的滯后，所以獲取電池內(nèi)部的溫度信息非常重要。薄膜傳感器和光纖傳感器是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。薄膜傳感器的嵌入可與電池組裝工序兼容，在增加一部分成本的同時(shí)顯著提高BMS的可靠性。隨著具有良好導(dǎo)電性、高比表面積和優(yōu)異機(jī)械性能的柔性傳感器出現(xiàn)，通過(guò)內(nèi)置傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已成為可能，為智能電池的推廣創(chuàng)造了基礎(chǔ)。光纖傳感器具有良好的耐腐蝕性和抗電磁干擾性，但是其成本較高、技術(shù)集成難度大。除傳感器直接監(jiān)測(cè)方式外，通過(guò)監(jiān)測(cè)電池表面溫度和電化學(xué)模型預(yù)測(cè)電池內(nèi)部溫度已經(jīng)在商業(yè)鋰電池中廣泛應(yīng)用。雖然基于模型的溫度預(yù)測(cè)可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池的內(nèi)部溫度，但它們通常需要大量的電池信息，電池內(nèi)阻隨SOC、SOH和溫度的變化以及電池內(nèi)部成分之間復(fù)雜的相互作用為建模帶來(lái)了很大的困難。電化學(xué)阻抗譜不需要任何傳感器，消除了傳熱延遲問(wèn)題，但是會(huì)帶來(lái)很多額外成本，測(cè)試所需時(shí)間較長(zhǎng)，此外在測(cè)試數(shù)據(jù)中解耦電池老化和極化效應(yīng)帶來(lái)的影響等問(wèn)題仍未得到充分解決。如何非破壞性地、準(zhǔn)確地且在動(dòng)態(tài)操作條件下量化鋰離子電池內(nèi)部溫度分布和變化對(duì)電池?zé)岚踩芾砭哂兄匾饬x，上述手段均無(wú)法同時(shí)滿足這些要求，針對(duì)此問(wèn)題，采用同步輻射X射線衍射斷層掃描（XRD-CT）和多通道準(zhǔn)直器—XRD（MCC-XRD）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)18650電池在高倍率充放電條件下的內(nèi)部溫度分布高時(shí)空分辨率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
氣體傳感器主要包括H2傳感器、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）傳感器、CO傳感器等。對(duì)于氣體檢測(cè)，CO和碳?xì)浠衔锉徽J(rèn)為是安全警告（熱濫用或過(guò)充情況）的有效指標(biāo)。然而，上述氣體來(lái)自電解質(zhì)或SEI分解（>90 ℃），在電池內(nèi)部溫度較低（<50 ℃）且熱失控尚未出現(xiàn)的鋰枝晶生長(zhǎng)期不能作為指標(biāo)。Jin等首次提出了一種通過(guò)H2捕獲來(lái)檢測(cè)微米級(jí)鋰枝晶的方法，以實(shí)現(xiàn)更早期的安全預(yù)警。通過(guò)電池簇級(jí)的安全預(yù)警實(shí)驗(yàn)，表明在檢測(cè)到H2的同時(shí)關(guān)閉充電電源，即使被真實(shí)儲(chǔ)能艙中的其他電池組阻擋，H2仍然可以作為預(yù)警指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)中既沒(méi)有觀察到煙霧也沒(méi)有觀察到火災(zāi)。此外，電池排氣的聲音信號(hào)也被用作預(yù)警信號(hào)，LFP電池模組的熱失控實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)檢測(cè)該信號(hào)可以在火焰出現(xiàn)前1061 s實(shí)現(xiàn)預(yù)警，但該信號(hào)容易受到噪聲干擾。
電池?zé)崾Э剡^(guò)程中會(huì)伴隨著電壓的變化。目前常用的方法有定性判斷法、閾值判斷法、基于模型的方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法。在LFP電池的過(guò)充實(shí)驗(yàn)中識(shí)別了電壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)（VTP），將這一特征作為最早預(yù)警指標(biāo)。基于閾值的判斷方法多依賴于經(jīng)驗(yàn)，但電池工作環(huán)境復(fù)雜，難以設(shè)置合適閾值，需要根據(jù)環(huán)境條件和電池實(shí)際狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整閾值設(shè)定?；谀Ｐ偷姆椒ㄍㄟ^(guò)數(shù)學(xué)模型描述電池在過(guò)充等情況下的電壓和溫度變化，或通過(guò)等效電路模型中的電壓和局部異常因子進(jìn)行故障檢測(cè)，能更全面地呈現(xiàn)電池電壓在故障條件下的演變過(guò)程，實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法因不需要準(zhǔn)確的電池模型而受到研究者的青睞，如基于串聯(lián)電池包交錯(cuò)電壓測(cè)量拓?fù)涞亩喙收显\斷方法和基于k均值聚類算法的電壓不一致波動(dòng)故障在線診斷與預(yù)測(cè)方法等。但是需要大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練以提高準(zhǔn)確性，且多數(shù)數(shù)據(jù)源于實(shí)驗(yàn)室，其運(yùn)行環(huán)境與實(shí)際差異大，數(shù)據(jù)集穩(wěn)健性差，模型泛化性無(wú)法保證，難以在實(shí)際儲(chǔ)能運(yùn)行中得到驗(yàn)證。
熱失控過(guò)程中的內(nèi)部壓力上升會(huì)導(dǎo)致電池膨脹，因此變形和膨脹力也是熱失控監(jiān)測(cè)預(yù)警的有效信號(hào)。目前對(duì)電池變形的監(jiān)測(cè)可以通過(guò)應(yīng)變片、激光器、相機(jī)和光纖傳感器實(shí)現(xiàn)。應(yīng)變片具有成本低、有效性和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種出色的機(jī)械變形傳感器，應(yīng)用范圍廣泛。應(yīng)變片可以安裝在不同形狀電池（軟包、棱柱形和圓柱形電池）的表面，用于變形測(cè)量。然而，應(yīng)變片容易受到熱和電磁干擾；使用激光和相機(jī)對(duì)變形進(jìn)行非接觸式測(cè)量，精度高，但是這種非接觸式測(cè)量方法通常用于實(shí)驗(yàn)室研究，不適合在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)除了良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性之外，還可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部溫度、壓力以及變形等多信號(hào)的實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測(cè)。此外，如果考慮大規(guī)模電池系統(tǒng)中的每個(gè)電池單元的監(jiān)測(cè)，則具有大量電纜和記錄設(shè)備的傳感系統(tǒng)將極其復(fù)雜且昂貴，分布式光纖傳感器將在多點(diǎn)同時(shí)監(jiān)測(cè)方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。
在電池?zé)崾Э囟嗑S信號(hào)演變研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)膨脹力信號(hào)的異常要早于電壓、氣體和溫度信號(hào)，并且該信號(hào)在充電倍率、環(huán)境溫度、預(yù)緊力和初始SOC等條件改變時(shí)表現(xiàn)出了更好的穩(wěn)健性，同時(shí)壓力傳感器技術(shù)成熟、布置簡(jiǎn)單（一個(gè)串聯(lián)模組只需布置一個(gè)傳感器），因此開(kāi)始關(guān)注將電池膨脹力升高速率異常作為最早的預(yù)警指標(biāo)。該指標(biāo)在過(guò)充和加熱條件下都表現(xiàn)出了更好的預(yù)警效果，及時(shí)斷電或關(guān)閉加熱板能夠有效防止熱失控傳播。此外，有學(xué)者通過(guò)設(shè)計(jì)機(jī)械裝置放大熱失控時(shí)的膨脹力使電池架傾覆，從而減少電池表面的接觸熱傳遞，即使有火焰存在也能阻止TRP。但在利用電池膨脹信號(hào)進(jìn)行預(yù)警時(shí)需要注意，在正常的充放電過(guò)程中由于鋰離子在正負(fù)極的脫嵌，正負(fù)極內(nèi)應(yīng)力和體積發(fā)生變化，電池產(chǎn)生可逆膨脹變形，膨脹力也會(huì)隨之波動(dòng)，在測(cè)量時(shí)應(yīng)考慮此影響，避免將正常操作檢測(cè)為故障。此外，電池老化會(huì)造成電池機(jī)械性能變化，產(chǎn)生不可逆膨脹，因此應(yīng)在不同老化條件下確定膨脹相關(guān)信號(hào)檢測(cè)閾值。目前，不同的研究中設(shè)定的閾值不盡相同，應(yīng)綜合考慮電池材料、容量、狀態(tài)、使用條件和包裝類型的差異，以準(zhǔn)確確定警告閾值。
綜合以上監(jiān)測(cè)技術(shù)，有學(xué)者提出了基于多信號(hào)融合監(jiān)測(cè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)多級(jí)預(yù)警策略。如電壓 ? 溫度 ? 氣體聯(lián)合預(yù)警策略、膨脹力 ? 溫度 ? 電壓信號(hào)聯(lián)合預(yù)警策略等。目前儲(chǔ)能電站主要監(jiān)測(cè)溫度、電壓和氣體信號(hào)，并設(shè)置特性參數(shù)閾值進(jìn)行警告，但大多數(shù)情況下，熱失控發(fā)生時(shí)電池內(nèi)部的不可逆連鎖反應(yīng)已被觸發(fā)，監(jiān)測(cè)預(yù)警效果往往不及預(yù)期，并且由于成本、空間、數(shù)據(jù)收集和存儲(chǔ)的限制，儲(chǔ)能電站無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)所有電池的完整參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著儲(chǔ)能云平臺(tái)的建立，通過(guò)智能數(shù)據(jù)壓縮算法和第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)控制數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)成本，借助云端強(qiáng)大算力，儲(chǔ)能系統(tǒng)的實(shí)時(shí)智慧監(jiān)測(cè)將成為可能。
2. 消防和泄爆抑爆
鋰離子電池火災(zāi)比較特殊，相較于其他火災(zāi)形式，其燃燒劇烈，火勢(shì)蔓延迅速，釋放大量有毒氣體和粉塵顆粒。即使將明火撲滅，由于電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)仍在持續(xù)進(jìn)行并釋放熱量，電池容易復(fù)燃，難以通過(guò)常規(guī)物理稀釋隔絕氧氣或切斷燃燒鏈的方法徹底撲滅。所以，高效的滅火技術(shù)對(duì)控制鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)事故發(fā)展、減輕鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)事故后果至關(guān)重要。
用于鋰離子電池火災(zāi)的常見(jiàn)滅火劑包括水基滅火劑和氣體滅火劑。水基滅火劑是儲(chǔ)能電站滅火的常見(jiàn)選擇，細(xì)水霧噴頭能有效撲滅電池明火，給燃燒模組降溫，短時(shí)間細(xì)水霧一般不會(huì)影響電池使用。雖然細(xì)水霧系統(tǒng)對(duì)電池模組的損害很低，但是高壓細(xì)水霧的成本比較高，并且可能造成電氣設(shè)施的短路。氣體滅火劑也是一種重要的選擇，七氟丙烷、全氟己酮可以有效撲滅儲(chǔ)能電池模組的初期火災(zāi)，但無(wú)法防止模組發(fā)生復(fù)燃。目前儲(chǔ)能系統(tǒng)常采用全氟己酮／七氟丙烷+細(xì)水霧的消防模式，即通過(guò)全氟己酮／七氟丙烷撲滅初期火災(zāi)，通過(guò)細(xì)水霧降溫防止復(fù)燃。但如前所述，這一消防模式中，細(xì)水霧可能威脅電氣設(shè)施安全，而只采用全氟己酮／七氟丙烷又無(wú)法有效防止復(fù)燃，所以目前很多儲(chǔ)能和消防從業(yè)人員認(rèn)為大水漫灌和放任燃燒仍是最有效的方式。因此，眾多學(xué)者提出了針對(duì)鋰離子電池的新型滅火策略，如清潔高效新型滅火劑（干水、F-500滅火劑、滅火微膠囊、液氮）和不同滅火劑之間的協(xié)同（細(xì)水霧與CO2協(xié)同、細(xì)水霧與液氮協(xié)同等），在實(shí)驗(yàn)室階段取得很好的成效。
針對(duì)消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有學(xué)者提出了熱失控滅火和火蔓延滅火的分階段滅火策略，并探索了電池簇、電池模組等層級(jí)的分布式滅火方式以及儲(chǔ)能電站層級(jí)的集中式滅火方式。隨著《電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全規(guī)程》的頒布與實(shí)施，Pack級(jí)全氟己酮消防技術(shù)在儲(chǔ)能消防領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用和認(rèn)可。目前消防探測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)一般參照《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì)，采用獨(dú)立通信方式、在本地集中控制，缺少與BMS、電能管理系統(tǒng)（EMS）智慧聯(lián)動(dòng)的安全管理策略。因此，文獻(xiàn)基于電池?zé)崾Э剡^(guò)程中的副反應(yīng)現(xiàn)象設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能電站火災(zāi)探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，并提出火災(zāi)探測(cè)多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)和分級(jí)預(yù)警設(shè)計(jì)構(gòu)想。在儲(chǔ)能消防裝備設(shè)計(jì)方面，有學(xué)者基于多層協(xié)同預(yù)警技術(shù)和不同防護(hù)滅火策略開(kāi)發(fā)了儲(chǔ)能系統(tǒng)的靶向消防防控裝備，但也有研究指出，大多數(shù)消防項(xiàng)目設(shè)置存在“重部件、輕系統(tǒng)”的傾向，組件設(shè)計(jì)存在集成化度低、兼容性差等嚴(yán)重的技術(shù)不足。因此，有必要從儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體視角優(yōu)化消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、布置和控制策略，從硬件和軟件兩方面進(jìn)行消防系統(tǒng)集成；同時(shí)通過(guò)研究鋰離子電池靶向消防裝備，提高消防裝備對(duì)大規(guī)模鋰離子電池火災(zāi)的適用性。
關(guān)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的泄爆抑爆設(shè)計(jì)，現(xiàn)有儲(chǔ)能艙體主要采用設(shè)置泄壓口的泄爆方式，泄壓對(duì)于集裝箱式鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效性得到了驗(yàn)證，但國(guó)內(nèi)尚沒(méi)有針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)泄爆面積的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)時(shí)多參考美國(guó)NFPA 68標(biāo)準(zhǔn)中的方法。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)防爆的解決方案主要通過(guò)在可燃?xì)怏w探測(cè)器報(bào)警后開(kāi)啟防爆風(fēng)機(jī)，通過(guò)氣體置換降低儲(chǔ)能預(yù)制艙內(nèi)的可燃?xì)怏w濃度，以達(dá)到防爆效果。但在事故發(fā)生時(shí)，需關(guān)閉事故防爆風(fēng)機(jī)以維持預(yù)制艙內(nèi)的滅火劑濃度，若滅火劑無(wú)抑爆效果，整個(gè)儲(chǔ)能艙將存在巨大爆炸風(fēng)險(xiǎn)。因此，利用惰性氣體控制艙內(nèi)可燃?xì)怏w濃度、降低可燃?xì)怏w極限氧濃度，研究具有更高防爆抑爆性能的材料，將有效提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的防爆抑爆能力。
由于消防系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益并不直接體現(xiàn)，且其功能并非持續(xù)發(fā)揮，往往容易出現(xiàn)投機(jī)行為。作為儲(chǔ)能安全的最后一道防線，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)消防安全的重視程度進(jìn)一步增加，從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)層面對(duì)儲(chǔ)能消防配置提出了明確的底線要求。2023年，美國(guó)保險(xiǎn)人（UL）安全試驗(yàn)室修訂了UL 9540《儲(chǔ)能系統(tǒng)和設(shè)備》，新增了交流與直流儲(chǔ)能系統(tǒng)概念，基于大規(guī)模燃燒測(cè)試修訂了儲(chǔ)能系統(tǒng)容量限制，新增了防爆泄爆保護(hù)要求；該試驗(yàn)室還在2024年頒布了UL 9540B標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了住宅儲(chǔ)能系統(tǒng)大規(guī)模防火測(cè)試的空白。美國(guó)消防協(xié)會(huì)在2023年修訂了NFPA 855《固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)》，增加和修訂了對(duì)火災(zāi)探測(cè)和滅火、爆炸控制、排氣通風(fēng)、氣體探測(cè)的要求，并提出了大規(guī)?；馂?zāi)試驗(yàn)要求。2024年英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)發(fā)布PAS 63100《電氣裝置 住宅用電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的防火保護(hù)規(guī)格》，規(guī)定了在使用固定式二次電池作為儲(chǔ)能介質(zhì)的家庭住宅中安裝小型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）的消防安全要求。我國(guó)目前消防設(shè)計(jì)所遵循的國(guó)標(biāo)為《電化學(xué)儲(chǔ)能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》以及《電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全規(guī)程》，然而這兩項(xiàng)國(guó)標(biāo)在儲(chǔ)能消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)并未提供詳盡的規(guī)范細(xì)則，而且從火災(zāi)定性的角度來(lái)看，業(yè)內(nèi)人士普遍認(rèn)為其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定偏于寬松。因此，即將施行的修訂新版本提升了儲(chǔ)能火災(zāi)的危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定。由沈陽(yáng)消防研究所負(fù)責(zé)起草的《電化學(xué)儲(chǔ)能電站火災(zāi)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)通用技術(shù)要求》正處于征求意見(jiàn)階段，該征求意見(jiàn)稿進(jìn)一步規(guī)整了消防聯(lián)動(dòng)的控制邏輯，清晰界定了探測(cè)裝置的響應(yīng)臨界值，并且依據(jù)風(fēng)冷、液冷儲(chǔ)能的不同特性做出了針對(duì)性區(qū)分。
3. 熱管理
除前文提到的風(fēng)冷、液冷和PCM外，近期，有學(xué)者提出了通過(guò)氣凝膠、云母、發(fā)泡硅膠等隔熱材料保護(hù)電池包蓋板結(jié)構(gòu)；有研究人員開(kāi)發(fā)了一種集成了氣體調(diào)節(jié)功能的阻隔材料，不僅具有導(dǎo)熱、吸熱、隔熱能力，而且在高溫下可以釋放惰性氣體，有效隔離可燃?xì)怏w與火源（如高溫表面、電弧等）；通過(guò)在連接的石墨烯層之間嵌入熱膨脹微球開(kāi)發(fā)的熱傳輸／隔離可切換的小型化熱調(diào)節(jié)器，在電池組正常工作條件下能夠降低電池組溫度差異，提高電池電化學(xué)性能；熱失控下能夠提供一個(gè)寬熱傳導(dǎo)窗口緩沖積累的熱量，防止熱失控傳播。這些研究為電池的熱安全管理開(kāi)辟了新的途徑。
相較于冷板式液冷，近年來(lái)全浸沒(méi)式液冷技術(shù)逐漸得到市場(chǎng)關(guān)注。全浸沒(méi)式液冷是一種直接冷卻方式，通過(guò)冷卻液與電池直接接觸，散熱效率很高，提高了電池組的一致性；冷卻液將電池與空氣隔離，同時(shí)兼具滅火效果，降低了火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)；冷卻液近乎絕緣的特性也大大降低了擊穿電弧出現(xiàn)的可能?；诓煌鋮s液的實(shí)驗(yàn)研究表明，浸沒(méi)式冷卻可以有效阻止熱失控的傳播甚至熱失控的發(fā)生。目前，浸沒(méi)式液冷技術(shù)已在儲(chǔ)能電站領(lǐng)域應(yīng)用，大多數(shù)儲(chǔ)能公司均推出了浸沒(méi)式液冷儲(chǔ)能產(chǎn)品。但是全浸沒(méi)式液冷系統(tǒng)運(yùn)維成本較高，尚未進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段；由于發(fā)展時(shí)間較短，各種冷卻介質(zhì)和儲(chǔ)能系統(tǒng)各組件之間是否能在整個(gè)生命周期內(nèi)保持良好的相容性尚不確定。
五、鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)
（一）發(fā)展趨勢(shì)
1. 電池本體高安全材料體系技術(shù)產(chǎn)業(yè)化
《新型儲(chǔ)能制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動(dòng)方案（征求意見(jiàn)稿）》強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)布局大容量高安全儲(chǔ)能電池、高功率高能效電池、儲(chǔ)能用固態(tài)電池等先進(jìn)儲(chǔ)能型鋰電池產(chǎn)品。固態(tài)電池具有高能量密度、本質(zhì)安全、長(zhǎng)壽命、寬溫域適應(yīng)性和快速充電等優(yōu)勢(shì)，有望徹底解決傳統(tǒng)鋰電池的瓶頸問(wèn)題。因此固態(tài)電解質(zhì)材料類型選擇（硫化物、氧化物、聚合物、鹵化物等）、離子電導(dǎo)率提升、界面工程、電極材料創(chuàng)新（高鎳三元、富鋰層狀氧化物等）、鋰枝晶抑制等問(wèn)題一直是研究熱點(diǎn)。盡管當(dāng)前仍面臨成本高、量產(chǎn)工藝復(fù)雜等挑戰(zhàn)，但其技術(shù)突破將推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域的全面升級(jí)，被視為下一代電池技術(shù)的核心方向，是各國(guó)在電池領(lǐng)域必爭(zhēng)的技術(shù)高地。
固態(tài)電池的技術(shù)路線選擇與產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)正呈現(xiàn)多元競(jìng)爭(zhēng)與協(xié)同突破的態(tài)勢(shì)。目前，硫化物、氧化物、聚合物三大技術(shù)路線各具優(yōu)劣：硫化物因高離子電導(dǎo)率和適配高能量密度材料（如高鎳三元正極、硅碳負(fù)極）成為主流方向，但主要以日本和韓國(guó)的企業(yè)主導(dǎo)，國(guó)內(nèi)正加速布局；氧化物路線憑借熱穩(wěn)定性和較低成本率先實(shí)現(xiàn)半固態(tài)電池量產(chǎn)，但其作為一種過(guò)渡策略，并不是顛覆性技術(shù)，良品率、充電倍率、循環(huán)壽命等都差強(qiáng)人意；聚合物路線加工兼容性強(qiáng)，但受限于低電導(dǎo)率，主要面向消費(fèi)電子領(lǐng)域。從全球范圍來(lái)看，固態(tài)電池技術(shù)路線呈現(xiàn)“硫化物主導(dǎo)、多路線互補(bǔ)”格局，部分企業(yè)嘗試復(fù)合電解質(zhì)以取長(zhǎng)補(bǔ)短。
在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，半固態(tài)電池已進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用階段，國(guó)內(nèi)外企業(yè)發(fā)布的全固態(tài)電池量產(chǎn)時(shí)間表大多在2026—2030年。隨著量產(chǎn)窗口臨近，技術(shù)路線將逐步收斂，全固態(tài)電池有望在高端電動(dòng)車(chē)、低空飛行器等領(lǐng)域率先滲透，同時(shí)部分電池企業(yè)也在積極推進(jìn)固態(tài)電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域及民用領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用。
2. 安全防控鏈條數(shù)智化
安全始終是儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展的核心關(guān)注點(diǎn)，而數(shù)智化技術(shù)為解決安全問(wèn)題提供了新的途徑。目前，利用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)電池進(jìn)行充放電優(yōu)化和狀態(tài)估計(jì)等技術(shù)已經(jīng)在電池安全管理領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。在熱失控預(yù)測(cè)方面，也開(kāi)始有學(xué)者基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)電池安全邊界預(yù)測(cè)以及基于電池材料實(shí)驗(yàn)的熱失控特征溫度預(yù)測(cè)進(jìn)行探究。
在設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)，數(shù)字化貫穿于原材料、裝備、工藝等各個(gè)方面?！缎滦蛢?chǔ)能制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動(dòng)方案》提出推動(dòng)區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等新一代信息技術(shù)在新型儲(chǔ)能制造業(yè)廣泛應(yīng)用。人工智能技術(shù)深度介入材料篩選和電池設(shè)計(jì)，通過(guò)大語(yǔ)言模型和垂直領(lǐng)域數(shù)據(jù)庫(kù)，搭建人工智能能源材料平臺(tái)，可大幅提高研發(fā)效率并節(jié)省成本。建立數(shù)字化的制造車(chē)間，引入在線檢測(cè)能力，能實(shí)現(xiàn)對(duì)制造過(guò)程的全流程監(jiān)控和質(zhì)量追溯。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，可迅速定位到具體生產(chǎn)環(huán)節(jié)并進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，保障電芯的高質(zhì)量制造，減少制造缺陷帶來(lái)的安全隱患。
在儲(chǔ)能系統(tǒng)安全管理方面，智能化的BMS能緊密耦合能量管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器等軟硬件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)共享和交互。同時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控與基于數(shù)字孿生的智能運(yùn)維平臺(tái)的廣泛應(yīng)用，讓運(yùn)維人員突破時(shí)空限制，實(shí)時(shí)掌控儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，一旦出現(xiàn)異?？梢匝杆夙憫?yīng)。借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能技術(shù)，建立高精度的儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型，對(duì)電池的全生命周期狀態(tài)、循環(huán)壽命、能量輸出等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的精細(xì)化、自適應(yīng)控制。
3. 安全防控設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化
隨著電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，安全防控設(shè)計(jì)趨向標(biāo)準(zhǔn)化成為必然發(fā)展方向?！缎滦蛢?chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》明確提出，到2025年在電化學(xué)儲(chǔ)能等新型儲(chǔ)能領(lǐng)域要形成較為完善的系列標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外交流，支撐標(biāo)準(zhǔn)“走出去”，逐步構(gòu)建適應(yīng)技術(shù)創(chuàng)新趨勢(shì)、滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求、對(duì)標(biāo)國(guó)際先進(jìn)水平的新型儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系。
標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)通過(guò)建立普適性技術(shù)指標(biāo)（如熱失控閾值、BMS響應(yīng)精度等），明確各環(huán)節(jié)安全邊界，促使電池廠商、集成商與運(yùn)營(yíng)商形成技術(shù)共識(shí)，降低因接口混亂或性能錯(cuò)配引發(fā)的隱性風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)從“無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)”轉(zhuǎn)向“協(xié)作創(chuàng)新”。
標(biāo)準(zhǔn)化為技術(shù)優(yōu)化提供可量化對(duì)標(biāo)體系。例如，通過(guò)統(tǒng)一熱失控抑制效能評(píng)價(jià)方法，可加速新型阻燃材料或智能滅火技術(shù)的研發(fā)驗(yàn)證；通過(guò)規(guī)范電池健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)算法，可提升大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的壽命預(yù)測(cè)模型可靠性。在標(biāo)準(zhǔn)化框架下，企業(yè)研發(fā)投入更具方向性，技術(shù)成果更易轉(zhuǎn)化為行業(yè)通用方案，形成“技術(shù)突破—標(biāo)準(zhǔn)更新—市場(chǎng)推廣”良性閉環(huán)。
標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)通過(guò)明確安全性能分級(jí)和認(rèn)證流程，為政府制定準(zhǔn)入政策、保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)、用戶選擇產(chǎn)品提供客觀依據(jù)。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)參數(shù)（如消防系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、絕緣失效閾值）可轉(zhuǎn)化為監(jiān)管部門(mén)的執(zhí)法抓手，避免“事后追責(zé)”的滯后性，實(shí)現(xiàn)全生命周期風(fēng)險(xiǎn)閉環(huán)管控。
（二）面臨的挑戰(zhàn)
1. “碎片化突破”與“系統(tǒng)性缺陷”并存
在事故誘因分析層面，研究多聚焦于電池材料失效、濫用條件等單一因素，對(duì)多物理場(chǎng)耦合作用下的跨尺度鏈?zhǔn)窖莼瘷C(jī)制缺乏動(dòng)態(tài)解析；在危險(xiǎn)性評(píng)估領(lǐng)域，針對(duì)單體電池的熱失控機(jī)理已有較成熟模型，但對(duì)模組、艙體及系統(tǒng)層級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)傳播規(guī)律與量化評(píng)價(jià)方法仍顯不足；在防控技術(shù)方面，本征安全改性、熱管理優(yōu)化等被動(dòng)防御手段雖取得進(jìn)展，但基于數(shù)字孿生的主動(dòng)預(yù)警、多級(jí)協(xié)同阻遏等智能化防控體系尚處于探索階段。與此同時(shí)，儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景向高能量密度、分布式方向延伸，進(jìn)一步加劇了傳統(tǒng)防控技術(shù)與復(fù)雜動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)間的適配性挑戰(zhàn)。此外，安全防控技術(shù)評(píng)價(jià)偏重實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的單一技術(shù)驗(yàn)證，缺少工程場(chǎng)景下的技術(shù)集成適配性研究。為滿足政府、企業(yè)和用戶等各方主體對(duì)新型儲(chǔ)能安全性、可靠性的要求，亟需構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)多層級(jí)安全動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)體系，探索各系統(tǒng)安全運(yùn)行邊界，進(jìn)而優(yōu)化整體協(xié)同工作效能。
2. 安全防控成本與經(jīng)濟(jì)效益平衡難
鋰離子電池儲(chǔ)能的規(guī)?；l(fā)展在降低度電成本的同時(shí)，也加劇了安全防控投入與經(jīng)濟(jì)效益的結(jié)構(gòu)性矛盾：一方面，材料集約采購(gòu)（如碳酸鋰價(jià)格下降）、工藝優(yōu)化（良品率提升）與技術(shù)迭代效應(yīng)（能量密度提升）推動(dòng)電芯成本持續(xù)下降；另一方面，本征安全技術(shù)（如高熱穩(wěn)定性材料、電芯優(yōu)化設(shè)計(jì)、固態(tài)電池）、系統(tǒng)級(jí)防護(hù)（熱管理、監(jiān)測(cè)及消防系統(tǒng)）和基于數(shù)字孿生的預(yù)測(cè)性運(yùn)維體系導(dǎo)致安全成本非線性攀升。破解該矛盾需通過(guò)“材料 ? 工藝 ? 系統(tǒng)”三級(jí)協(xié)同優(yōu)化，開(kāi)發(fā)兼具安全性與經(jīng)濟(jì)性的材料體系，應(yīng)用人工智能等數(shù)字化技術(shù)優(yōu)化質(zhì)檢工藝、提升制造精度，并通過(guò)安全系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)與安全管理策略智能化升級(jí)降低系統(tǒng)冗余成本；同時(shí)依托政策工具（階梯補(bǔ)貼、安全基金）與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同（標(biāo)準(zhǔn)化接口、循環(huán)利用）分?jǐn)傦L(fēng)險(xiǎn)，最終實(shí)現(xiàn)規(guī)?；当九c安全強(qiáng)化的動(dòng)態(tài)均衡。
3. 新型應(yīng)用場(chǎng)景催生新型風(fēng)險(xiǎn)
百兆瓦時(shí)級(jí)電站可集成數(shù)十萬(wàn)電芯，傳統(tǒng)單點(diǎn)防護(hù)策略失效。雖然在當(dāng)前測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下，由濫用條件觸發(fā)電池大規(guī)模內(nèi)短路的概率已經(jīng)極低，但作為多層級(jí)復(fù)雜系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)層層富集，系統(tǒng)級(jí)故障概率隨儲(chǔ)能規(guī)模增加快速攀升；在多技術(shù)耦合場(chǎng)景中，鋰電與液流電池、氫儲(chǔ)能的混合部署引發(fā)熱管理兼容性難題；極端環(huán)境適應(yīng)性缺口凸顯，熱帶高濕地區(qū)可能導(dǎo)致絕緣失效事故率激增，而高寒工況（<-40 ℃）下電解液低溫性能不良引起的風(fēng)險(xiǎn)尚未在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)體系中充分考慮；長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能下鋰電池高深度循環(huán)可能加劇電極材料結(jié)構(gòu)疲勞，提高安全風(fēng)險(xiǎn)。需構(gòu)建多層級(jí)防護(hù)架構(gòu)：通過(guò)電芯級(jí)本征安全設(shè)計(jì)、模組級(jí)物理隔離及系統(tǒng)級(jí)智能阻斷，建立覆蓋新型技術(shù)組合的跨學(xué)科安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與動(dòng)態(tài)環(huán)境適應(yīng)型標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化與安全性的協(xié)同演進(jìn)；開(kāi)發(fā)多物理場(chǎng)耦合仿真平臺(tái)，精準(zhǔn)預(yù)測(cè)10年以上超長(zhǎng)周期下的材料失效路徑，構(gòu)建自適應(yīng)安全邊界調(diào)控算法，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能體系從“被動(dòng)防護(hù)”向“壽命周期主動(dòng)免疫”的范式升級(jí)。
4. 全生命周期安全管理實(shí)踐困境
在制造階段，工藝波動(dòng)引發(fā)的本征缺陷難以被常規(guī)檢測(cè)手段完全捕獲，導(dǎo)致隱性風(fēng)險(xiǎn)向后續(xù)環(huán)節(jié)傳遞；在運(yùn)行階段，電池老化路徑的強(qiáng)非線性特征使得傳統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估模型預(yù)測(cè)精度不足，運(yùn)維策略難以精準(zhǔn)匹配實(shí)際衰減進(jìn)程；在退役環(huán)節(jié)，因梯次利用標(biāo)準(zhǔn)缺失與殘值評(píng)估體系不完善，導(dǎo)致重組電池安全閾值模糊，低質(zhì)產(chǎn)品流入次級(jí)市場(chǎng)形成隱患。生命周期中全鏈條數(shù)據(jù)割裂進(jìn)一步加劇管理盲區(qū)：制造期、服役期乃至與退役診斷信息未能有效貫通，將阻礙風(fēng)險(xiǎn)溯源與跨階段協(xié)同防控。各環(huán)節(jié)安全邊界的動(dòng)態(tài)演變與技術(shù)迭代速度的失衡，最終形成“局部?jī)?yōu)化、整體脆弱”的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)積累態(tài)勢(shì)。需構(gòu)建“制造 ? 應(yīng)用 ? 回收”數(shù)據(jù)貫通體系，開(kāi)發(fā)多尺度缺陷數(shù)字孿生檢測(cè)平臺(tái)與基于人工智能技術(shù)的電池狀態(tài)預(yù)測(cè)方法，建立覆蓋電池“出生”至“再生”的區(qū)塊鏈溯源認(rèn)證網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全鏈條風(fēng)險(xiǎn)穿透式管理。
六、鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)防控措施建議
（一）聚焦鋰電池安全基礎(chǔ)技術(shù)研究
研發(fā)先進(jìn)原位表征技術(shù)，動(dòng)態(tài)解析電池充放電循環(huán)、熱失控等關(guān)鍵過(guò)程的微觀演化規(guī)律，揭示電池失效機(jī)理與安全邊界閾值。建立電化學(xué)參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)與電池宏觀性能的定量映射關(guān)系，解耦多場(chǎng)耦合下電化學(xué)相互作用機(jī)制，突破理論設(shè)計(jì)與實(shí)際制造間的匹配性瓶頸。開(kāi)發(fā)高精度、多尺度仿真模型，深入理解電池從微觀到宏觀的失效演化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)失效演化路徑的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。基于仿真模型建立基于人工智能的電池設(shè)計(jì) ? 檢測(cè)一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)材料選型、結(jié)構(gòu)優(yōu)化與制造工藝的閉環(huán)驗(yàn)證。結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，構(gòu)建“機(jī)理 ? 數(shù)據(jù)”雙輪驅(qū)動(dòng)的電池安全知識(shí)圖譜，為高本征安全性電池體系設(shè)計(jì)及主動(dòng)防控策略提供理論支撐，推動(dòng)電池技術(shù)從經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)向精準(zhǔn)設(shè)計(jì)范式升級(jí)。
（二）深化系統(tǒng)集成與工程化安全設(shè)計(jì)
鋰電儲(chǔ)能安全防控需以系統(tǒng)集成與工程化設(shè)計(jì)的深度協(xié)同為突破口，解決“局部?jī)?yōu)化、整體脆弱”的工程難題。通過(guò)構(gòu)建“電芯 ? 模組 ? 包 ? 簇 ? 艙體”層級(jí)的全鏈條安全架構(gòu)，整合熱管理、消防抑制、電氣隔離等子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)協(xié)同機(jī)制，設(shè)計(jì)自適應(yīng)冗余策略與故障容錯(cuò)邏輯；推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化接口與模塊化工程方案，提升系統(tǒng)兼容性與迭代效率。利用數(shù)字孿生技術(shù)模擬復(fù)雜場(chǎng)景下的鏈?zhǔn)绞窂?，結(jié)合多物理場(chǎng)仿真優(yōu)化安全裕度與閾值參數(shù)；建立覆蓋設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維的全生命周期安全驗(yàn)證體系，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型驅(qū)動(dòng)的雙向反饋，量化系統(tǒng)級(jí)安全邊界，實(shí)現(xiàn)從“功能疊加”到“系統(tǒng)韌性”的工程范式躍遷，為規(guī)模化儲(chǔ)能提供高可靠性的集成解決方案。
（三）強(qiáng)化全生命周期安全管理
建立并嚴(yán)格執(zhí)行從原材料純度控制、極片制備工藝、電芯裝配到模組／系統(tǒng)集成的全流程一致性標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)的精細(xì)化控制、在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用以及嚴(yán)格的出廠測(cè)試，確保電池產(chǎn)品在初始狀態(tài)即具備高可靠性和一致性；借助數(shù)字孿生、邊緣計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建儲(chǔ)能電站的實(shí)時(shí)健康狀態(tài)評(píng)估體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池性能衰退、潛在故障的早期識(shí)別。通過(guò)對(duì)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的深度挖掘與分析，建立實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)警的運(yùn)維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠在故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)警和干預(yù)，有效避免安全事故的發(fā)生，并延長(zhǎng)系統(tǒng)使用壽命；制定完善的退役電池殘值評(píng)估和安全檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，包括對(duì)電池容量、內(nèi)阻、循環(huán)壽命以及安全性能等關(guān)鍵參數(shù)的評(píng)估，建立健全的退役電池追溯體系，明確各環(huán)節(jié)責(zé)任主體，保障梯次利用過(guò)程安全可控。
（四）優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)體系與監(jiān)管機(jī)制
進(jìn)一步對(duì)齊并融合國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，形成統(tǒng)一的安全測(cè)試、生產(chǎn)制造、監(jiān)測(cè)運(yùn)維的標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證體系；推動(dòng)電芯、模組、系統(tǒng)層級(jí)的安全認(rèn)證與國(guó)際主流標(biāo)準(zhǔn)的接軌，促進(jìn)全球儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展；針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能、大型儲(chǔ)能電站、移動(dòng)儲(chǔ)能、家用儲(chǔ)能等不同應(yīng)用場(chǎng)景，細(xì)化安全規(guī)范，制定更具針對(duì)性和可操作性的安全標(biāo)準(zhǔn)；加快標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，匹配技術(shù)迭代速度，使標(biāo)準(zhǔn)體系盡快覆蓋固態(tài)電池等新型技術(shù)路線。構(gòu)建由政府主導(dǎo)、企業(yè)參與的儲(chǔ)能安全大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、安全風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)評(píng)估與預(yù)警，以及事故發(fā)生后的快速溯源與責(zé)任追溯；整合企業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)、政府監(jiān)管數(shù)據(jù)以及第三方檢測(cè)數(shù)據(jù)，形成全方位、多維度的數(shù)據(jù)支撐，為政府監(jiān)管決策提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)促進(jìn)企業(yè)提升安全管理水平。
（五）完善應(yīng)急響應(yīng)和保險(xiǎn)體系
制定多級(jí)應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制和預(yù)案，涵蓋從預(yù)警、事故確認(rèn)到應(yīng)急處置的全過(guò)程，明確各環(huán)節(jié)的責(zé)任主體和操作流程，如熱失控隔離措施、故障快速切除機(jī)制以及緊急停機(jī)程序等；進(jìn)行常態(tài)化安全演練，檢驗(yàn)預(yù)案的可行性，提升應(yīng)急隊(duì)伍的協(xié)同作戰(zhàn)能力和快速反應(yīng)能力。積極推動(dòng)保險(xiǎn)產(chǎn)品創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)特點(diǎn)的專屬保險(xiǎn)，涵蓋設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行維護(hù)以及退役等各個(gè)環(huán)節(jié)的潛在風(fēng)險(xiǎn)；探索將安全技術(shù)指標(biāo)（如熱失控抑制能力、系統(tǒng)防護(hù)等級(jí)）與保險(xiǎn)費(fèi)率掛鉤的機(jī)制，通過(guò)經(jīng)濟(jì)杠桿促進(jìn)企業(yè)提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的本質(zhì)安全水平。
（六）促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同與跨學(xué)科融合
建立涵蓋材料研發(fā)、制造工藝、系統(tǒng)集成及循環(huán)利用的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)作框架，推動(dòng)電池模組、消防設(shè)備等接口的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，降低兼容性成本；搭建跨學(xué)科聯(lián)合研發(fā)平臺(tái)，融合電化學(xué)、材料科學(xué)、力學(xué)、人工智能及環(huán)境工程等多領(lǐng)域技術(shù)，攻克熱失控多物理場(chǎng)耦合機(jī)理、動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等共性難題。強(qiáng)化“政 ? 企 ? 研”協(xié)同機(jī)制，構(gòu)建數(shù)據(jù)共享與聯(lián)合驗(yàn)證體系（如區(qū)塊鏈溯源網(wǎng)絡(luò)、多層級(jí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)），加速本征安全材料、智能阻斷技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化落地。通過(guò)政策引導(dǎo)（如專項(xiàng)基金、標(biāo)準(zhǔn)互認(rèn)）與市場(chǎng)激勵(lì)（如綠色金融、碳足跡認(rèn)證），形成“技術(shù)攻關(guān) ? 標(biāo)準(zhǔn)制定 ? 商業(yè)推廣”閉環(huán)，最終實(shí)現(xiàn)安全防控技術(shù)的高效迭代與規(guī)模化應(yīng)用。
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