杏彩体育app下载:推荐 应急管理部天津消防研究所李晋等：锂离子电池储

　　1. 应急管理部天津消防研究所；2. 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室；3. 中国石油大学（华东）；4. 中国电子技术标准化 研究院；5. 中关村储能产业技术联盟；6. 苏州UL美华认证 有限公司；7. 工业与公共建筑火灾防控技术应急管理部重点实验室；8. 香港理工大学消防安全工程研究中心；9. 南方电网调峰调频发电有限公司储能科研院；10. 天津市消防安全技术重点实验室；11. 广州鹏辉能源科技股份有限公司；12. 北京卫蓝新能源科技有限公司；13. 阳光储能技术有限公司

　　摘 要本文针对目前锂离子电池储能安全评价研究进展进行了综述，梳理了锂离子电池储能安全评价相关标准现状，从电池本征安全、储能故障及事故统计、热失控机理及火蔓延机制等方面总结了锂离子电池储能安全评价相关理论的研究进展，分析了从锂离子电池单体到储能系统的安全评价数值模拟技术，系统介绍了电池单体到储能系统的安全测试评价技术以及锂离子电池储能电站安全评价技术的现状。研究结果表明，随着电池技术的不断迭代，储能系统结构的不断升级，储能的安全评价将愈发复杂，现有的评价技术和标准有待进一步提升和完善。未来，需要根据储能电池本质安全、电气与消防安全等技术的发展及时调整与更新安全评价指标，结合仿真、实验手段的进步，明确安全指标阈值，并充分考虑储能系统投运后容量衰减、老化过程伴随的安全性能演变，构建覆盖多体系、多场景、多要素，融合动静态指标的安全性能等级评价体系，发展涵盖“单体-模组-簇-系统-电站”层层分级的储能系统安全性能等级评价技术。同时，制定国际适用的储能系统安全性能等级评价标准，为全球储能安全提供中国方案。

　　随着“双碳”目标推进，大力发展新能源、优化能源结构、实现清洁低碳发展成为全球共识。储能能够促进新能源消纳，提高电力系统灵活性，支撑新型电力系统安全稳定运行，已成为构建新型电力系统的关键技术之一。近年来，尽管面临国际竞争、疫情等不利因素，但是储能产业仍保持高速发展态势。根据中关村储能产业技术联盟(CNESA)全球储能数据库的不完全统计，2022年，国内新增投运新型储能项目装机规模达7.3 GW/15.9 GWh，功率规模首次突破7 GW，能量规模首次突破15 GWh，与2021年同期相比，增长率均超过200%。单个项目规模与以往相比大幅提升，百兆瓦级项目成为常态。

　　然而在储能产业高速发展的同时，储能的安全建设和运行压力也在不断增加。根据CNESA不完全统计，从2011年起全球累计发生储能安全事故70多起。即便在经历十多年发展后，2022年全球储能安全事故仍发生17起(表1)，国外还发生数起户用储能事故。除1起事故项目是铅蓄电池之外，均为锂离子电池。随着储能装机容量快速增加，储能安全隐患也在不断增加，安全已成为制约锂离子电池储能产业进一步发展的瓶颈。

　　储能的生产、运输、安装、调试、投运等任何一个环节都有可能发生安全事故，容不得一点疏忽。不断发生的储能事故也引起了监管部门关注，《关于加快推动新型储能发展的指导意见》《国家能源局综合司关于加强电化学储能电站安全管理的通知》《“十四五”生产规划》等文件从不同层面对储能安全提出了相关要求。加快锂离子电池储能安全技术研究，推动建立安全标准及管理体系，加强安全风险防范，已成为当下储能行业的重点发力方向，其中，对储能的安全评价涉及储能项目从设计、验收到运行的全寿命环节，是保障储能安全的重要手段。

　　锂离子电池储能安全评价是一个系统性问题，涵盖单体电芯、模组、簇、系统及整个电站的各个层级，但目前针对锂离子电池储能安全评价的研究相对有限，虽已初步建立起储能系统安全评价指标体系框架，但仍存在要素不全面、应用性较差的问题。随着储能安全研究的不断成熟，建立更加完善、精细化的指标体系，发展多要素动静结合的储能系统安全性能等级评价技术将成为提高储能安全评价水平的必然要求。

　　安全评价是保障储能系统稳定运行和可持续发展的重要途径，国内外行业组织和科研机构在这一领域积极开展研究，取得了一定的进展，初步建立了锂离子电池储能系统的安全标准体系。

　　IEC(国际电工委员会)、中国电子技术标准化研究院、UL等国内外标准化机构均制定了多项评估储能用锂离子电池安全性的标准，旨在提高锂离子电池在储能终端应用上的安全性，促进技术升级。

　　国内标准化领域，中国电子技术标准化研究院(电子标准院，赛西/CESI)作为工信部锂离子电池及类似产品标准工作组秘书处承担单位，负责统筹、组织我国储能用锂离子电池标准的制修订工作。目前已经牵头制定了两项电能存储用锂电池强制性国家标准：GB xxxx《电能存储系统用锂蓄电池和电池组安全要求》(计划号：20214450-Q-339，报批中)和GB 40165，IEC 62619(2022版)的国内转化工作也在进行中。此外，中关村储能产业技术联盟(CNESA)、中国化学与物理电源行业协会(CIPAS)等社团组织也制定了相关团体标准。

　　国外标准化领域，UL(美国保险商实验室)制定了全球首部电能存储用电池标准UL 1973，该标准在北美普遍使用，其电池安全标准考虑全面而严谨，具有相当的影响力。欧洲、日韩等国家及地区多以直接转换IEC 62619为主，澳洲则是同时引用IEC和UL标准。

　　尽管全球范围内制定了多项储能用锂离子电池安全标准，但是现有国内外标准只能满足对储能用锂离子电池安全性评估的基本要求，缺少评估长周期循环后锂电池安全性的试验项目/标准，缺少相应的锂离子电池安全等级评价标准。

　　现有安全评价标准的适用对象都是未投入使用的出厂6个月以内的锂电池新品。众所周知，锂离子电池因其制造工艺引入的缺陷和外部激源因素引发的其他问题会在长周期循环后被放大，增加锂电池的安全风险，最终增加发生安全事故的概率。后续标准制定过程中，在考虑如何更有针对性地评估新品的同时还应考虑长周期循环对锂离子电池安全性的影响，并制定评估长周期循环后锂离子电池安全性的项目或标准。此外，锂离子电池的安全性因其使用的材料体系、隔膜、电解液的不同存在一定的差异。当前，国内外并未制定锂离子电池安全等级评价相关标准，厘清影响锂电池安全差异的因素，制定相应标准也是提高储能用锂离子电池安全性的重要手段。

　　储能系统集成了电池、储能变流器以及各类辅助系统。每个子系统首先要符合其对应的安全标准，例如锂离子电池需满足电池产品的安全标准。此外，当这些子系统集成为一个系统时，还需考虑子系统之间的兼容性以及整个储能系统的环境适用性。储能系统安全标准和法规是保证储能系统(ESS)的安全安装和运营的重要支撑。

　　国际电工委员会(IEC) TC120负责制定国际储能相关标准。欧洲、日本、韩国等国家及地区通常直接等同或修订采用IEC标准。

　　IEC 62933-5-2以IEC 62933-5-1为基础，提供了电化学储能系统的安全要求，其第一版发布于2020年，第二版正在修订中。该标准涵盖了电化学储能系统(包括锂离子电池储能系统)的危险因素、安全风险分析和评估、风险降低措施以及系统安全验证和测试。对于储能系统的安全验证和测试，IEC 6293-5-2允许使用模拟信号来测试或者通过文件审查方式来验证。IEC 62933-5-4则基于锂离子电池储能系统提供了使用实际电信号的测试方法和程序。

　　美国非常重视储能安全，其标准制定也相对领先和完善。美国保险商实验室(UL)是北美最大的安全标准制定机构，于2016年发布了第一版储能系统安全标准UL 9540，并被批准为美国和加拿大双国国家标准。目前UL 9540第三版正在修订中。UL 9540标准从材料、零部件、结构要求、安全失效分析、功能安全、测试评估、标签和说明书方面对储能系统提出了全面要求，是电池储能系统安全保证的基石。UL 9540被美国电工法NEC和国际消防规范IFC等众多规范引用，是储能系统进入北美的强制准入标准。

　　为了评估电池储能系统热失控蔓延的安全风险，保障储能系统消防安全，UL于2017年发布了UL 9540A，目前第5版正在修订中。该标准从电芯、模块、单位以及安装层级共4个层级对电池储能系统进行测试，获取电芯热失控特性参数和电芯释放气体的燃烧特性参数，以及电池储能系统热失控蔓延时的气体/烟雾/热释放速率、热辐射、起火和爆炸情况等数据。这些数据可以有效地评估电池储能系统的火灾和爆炸风险，减少消防安全顾虑。

　　美国消防协会(NFPA)在2019年正式发布第一版NFPA 855，目前最新版为2023版。为了控制储能系统火灾风险，该标准明确要求储能系统必须UL 9540列名，并给出了安装间距、存储能量、防火隔离、通风、火灾探测、消防抑制等储能系统安装要求。对于超出安装限制条件的电池储能系统，必须提供UL 9540A测试报告以支持其安装许可。

　　澳大利亚和新西兰于2019年联合制定了AS/NZS 5139:2019，该标准规定了电池储能系统(BESS)的一般安装要求，对BESS的安装位置进行了限制，并对BESS附近的其他设备进行了限制。

　　在中国，全国电力储能标准化技术委员会(SAC TC550)负责电力储能领域国家标准的制修订，其制定的储能安全相关标准主要有GB/T 36558—2018《电力系统电化学储能系统通用技术条件》、GB/T 40090—2021《储能电站运行维护规程》和GB/T 42288—2022《电化学储能电站安全规程》。为满足北京市储能项目安全建设需求，2021年12月，北京市地方标准DB11/T 1893—2021《电力储能系统建设运行规范》正式发布，明确了储能系统设计、施工、验收、运行维护及退役和应急处置要求。

　　锂离子储能电池本身是影响储能安全的首要因素，作为储能系统的核心部件，电池在各种复杂工况下存在潜在的过充、短路、挤压、振动、碰撞等引起的突发性燃烧和爆炸现象，是实际应用中面临的安全难题。因此，要从根本上解决锂离子电池的安全性问题，需要从电池本征安全方面展开研究。

　　本征安全主要是在材料层面提升各电芯材料的热稳定性，在工艺层面从设计和制造的角度保证电芯可靠性。目前，在正极材料方面，主要通过材料选型、本体改性(表面包覆、元素掺杂等)与材料复配，提升材料热稳定性；隔膜材料方面，为了改善隔膜热稳定性，通常在隔膜表面涂上一层耐高温的涂覆材料，以改善隔膜热收缩性能，同时提高隔膜穿刺强度，防止锂枝晶刺穿，提升电池安全性；电解液材料方面，通过在电解液中引入阻燃、过充保护等安全添加剂来有效改善电池安全；集流体材料方面，通过改善集流体的力学性能，避免其在加工使用过程中形成毛刺和断裂，以降低电芯安全风险；电芯设计方面，overhang设计、NP比设计、配方设计、电极设计、结构设计、安全阀设计、绝缘保护等均会对电芯安全产生影响，综合优化各方面设计因素是实现电芯高稳定性、高安全的关键之一；工艺制造方面，减少内部异物、边缘毛刺等对电池安全有着至关重要的影响，通过制造工艺升级、产线智能化改造、过程监测强化等措施降低电芯缺陷，是降低电池安全隐患的重要举措。此外，固态电池作为下一代电池技术，有望彻底解决锂离子电池本征安全问题。有机电解液热分解温度与隔膜融化温度在160 ℃以下，而固态电解质热分解温度高(如氧化物固态电解质热分解温度在500 ℃以上)，用固态电解质代替液态电解液和隔膜，可以大大降低电池热失控风险。

　　储能系统运行过程中的各类故障是诱发电池热失控、导致火灾爆炸事故发生的重要原因。储能系统涉及的故障类型多样，而电池热失控的诱发可能是多种故障耦合作用的结果。为进一步挖掘分析储能系统故障的发生条件、故障部位、表现形式、故障后果等，有必要建立储能事故综合信息平台，通过对储能事故、故障等信息的进一步收。