中國儲能網(wǎng)訊：
一、前言
在全球碳中和與產業(yè)升級浪潮的驅動下，能源結構轉型已成為不可逆的時代命題。儲能技術作為新型電力系統(tǒng)的關鍵支撐，通過平抑新能源波動、優(yōu)化電網(wǎng)運行，正從“配套角色”躍升為能源革命的核心基礎設施。2023年，全球儲能新增裝機規(guī)模首超歷史累計，我國以51 GWh貢獻近半數(shù)增量，領跑全球市場；2024年，我國新型儲能裝機規(guī)模首次超過了抽水蓄能，達到78.3 GW/184.2 GWh，其中新增投運規(guī)模為43.7 GW/109.8 GWh，同比翻了一番。隨著新型儲能的規(guī)?；瘮U張與技術迭代，其安全隱患也在增長。以鋰離子電池儲能為代表的技術路線雖占據(jù)主導，卻因熱失控頻發(fā)安全事故，造成人員傷亡與巨額經濟損失，致使產業(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”目標與新型能源體系建設需求，破解鋰離子電池儲能安全困局不僅關乎技術迭代，更是國家能源戰(zhàn)略安全的必然選擇。因此深入理解鋰離子電池儲能安全風險、探討安全防控技術壁壘與實踐挑戰(zhàn)極具迫切性。已有研究針對儲能系統(tǒng)火災安全等進行了總結，但對爆炸風險、安全評價和安全防控新技術與發(fā)展趨勢等問題關注不足。本文從“機理 ? 評估 ? 防控”三個維度構建研究框架，系統(tǒng)解構鋰離子電池儲能火災爆炸事故誘因與發(fā)展機制，分析“單體失效 ? 系統(tǒng)擴散”的危險性，總結“本征安全 ? 監(jiān)測預警 ? 多級防護”技術現(xiàn)狀與關鍵問題，進而凝練相關技術發(fā)展趨勢、提出行業(yè)發(fā)展建議，以期為儲能產業(yè)由“規(guī)模優(yōu)先”向“安全為基”的范式轉型提供理論支撐與實踐路徑，提升鋰離子電池儲能系統(tǒng)“全生命周期 ? 全場景覆蓋”的安全韌性。相應研究框架如圖1所示。
圖1 鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災爆炸風險防控技術發(fā)展研究框架
二、鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災爆炸事故誘因
由熱、電、機械等濫用條件或電池內部缺陷／污染發(fā)展觸發(fā)的熱失控是電化學儲能事故發(fā)生的起點。在電化學儲能系統(tǒng)中，熱濫用、電濫用、機械濫用與內短路之間呈現(xiàn)互為因果的鏈式失效關系，熱濫用是導致熱失控的直接原因，內短路一般是三種濫用形式下的共性特征。其中，電濫用（如過充、過放、大倍率運行）通過誘發(fā)鋰枝晶生長或集流體腐蝕引發(fā)內短路；機械濫用（如碰撞、擠壓）直接破壞電池結構完整性，導致電極短路；熱濫用（如局部過熱、環(huán)境高溫）則促使隔膜熔融收縮或電解液分解，加劇內短路風險。內短路形成后，焦耳熱與化學反應熱的耦合釋放將進一步觸發(fā)熱失控，形成自強化惡性循環(huán)。內部缺陷／污染會導致自誘發(fā)內短路，但其潛伏期較長，機制復雜尚未清楚揭示，目前針對自誘發(fā)內短路的替代測試、建模和診斷方法仍是研究重點。在儲能電站中，熱濫用可能源于散熱設計缺陷、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）保護閾值失準、電網(wǎng)波動或功率調度策略不當、電池間的不一致性、水浸泡、配套電氣設施的拉弧短路和對地故障等引發(fā)；機械濫用則多與運輸安裝損傷、結構老化形變或外部沖擊（如地震、異物侵入）相關。
在正常使用條件下，電池由于內阻的存在會產生一定的熱量，但相對可控。然而在濫用條件下，由于內短路或正負極之間的化學反應串擾，電池內部產生熱量積累，引起一系列副反應，如固體電解質界面（SEI）膜分解、負極 ? 電解液反應、隔膜熔化、正極分解反應、電解質溶液分解反應、負極與黏接劑反應等，釋放出大量熱量。在電池儲能系統(tǒng)中，單節(jié)電池發(fā)生熱失控釋放的熱量通過對流、輻射、傳導等形式將熱傳遞到相鄰電池，當發(fā)生熱失控電池周圍的電池溫度達到熱失控觸發(fā)溫度時，即誘發(fā)電池間的熱失控蔓延（TRP），甚至進一步造成整個模組和電池包的熱失控。
電池熱失控過程中會伴生產氣和排氣行為。一般鋰電池熱失控后產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、測量環(huán)境、測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，可將電池看作一個封閉系統(tǒng)，隨著電池內部壓力的增加，電池會發(fā)生膨脹變形。電池內部的壓力達到一定閾值后，安全閥打開，副反應產生的氣體和電解液噴出，同時也會有一些內部反應物的固體顆粒，此時電池變?yōu)橐粋€開放體系，但由于內部溫度仍然較高，電解液會繼續(xù)蒸發(fā)。
當鋰離子電池排放的可燃氣體遇到點火源時，如噴射的高溫固體顆粒，甚至電池高溫表面，噴射氣體就會燃燒形成噴射火。此外，電池噴發(fā)過程可能改變電弧形成的介質氛圍、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，從而點燃可燃氣體。如果氣體在排放后沒有立即被點燃，混合氣體會向周圍擴散或積聚在受限空間，當濃度達到爆炸極限時，在存在上述點火源的情況下將產生爆炸。在熱失控蔓延初期，電池包安全閥開啟后進入電池包的空氣量有限，可能火勢并不明顯，但是電池排氣噴出的高溫顆粒物吸附在電池包頂板，由于溫度遠高于氣體溫度，顆粒物對電池包頂板的傳熱會導致其內部產生熱應力，造成結構失效，即火焰“燒穿”電池包。當電池包結構失效后，大量空氣與熱失控氣體混合，產生劇烈的燃燒現(xiàn)象。
三、鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災爆炸特性分析
（一）單體電池火災爆炸特性分析
研究表明，一般情況下不同正極材料的熱穩(wěn)定性順序為磷酸鐵鋰（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率，即使在較低溫度下也能延長電動汽車的續(xù)航里程，近年來受到廣泛關注。然而隨著鎳含量的增加，正極材料熱穩(wěn)定性變差，針對此類正極材料的熱穩(wěn)定性評估和熱安全性改善仍是當前的研究重點。
電動汽車中常采用的三元鋰電池的正極為層狀的NCM，在高溫下會發(fā)生相變并釋放大量活性氧與電解液和石墨負極發(fā)生反應，產生大量CO和CO2，推動電池溫度迅速上升，電池內部的熱失控強度一般較高，熱失控過程中的溫升速率和所能達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，所以目前國內儲能采用電池的主流技術類型為LFP電池。但是LFP的氧化程度較低，強P—O共價鍵使LFP在熱失控時免于釋放大量O2，導致H2等還原性氣體無法在熱失控過程中被充分氧化，因此在大多數(shù)熱失控產氣測試中，LFP電池熱失控產生氣體中的H2和C2H4含量高于NCM電池，而CO和CO2的含量相對較低。
電池熱失控氣體的燃爆危險性可通過熱釋放速率、層流燃燒速度、爆炸極限和爆炸超壓等指標來評估。相較于NCM電池，在過充和過熱條件下，氣體噴射是LFP電池熱失控的主要行為，一般不會出現(xiàn)射流火。但在針刺條件下，穿刺針和電池外殼之間摩擦產生的火星可能點燃可燃氣體，火焰首先從刺孔處噴出，并在安全閥處形成射流火。由于實驗條件和觸發(fā)方式的差異，不同研究測得的LFP電池火焰的峰值熱釋放速率表現(xiàn)出一定的隨機性，但大體上隨著容量增加，峰值熱釋放速率逐漸升高，且對于200~300 Ah的大容量LFP電池，峰值熱釋放速率逐漸趨于穩(wěn)定。實驗研究表明，由于H2的最低爆炸極限（LEL）遠低于CO，LFP電池熱失控氣體的爆炸極限相較于NCM電池更低，但NCM電池的爆炸上限（UEL）略高于LFP電池；LFP電池熱失控產氣的爆炸超壓更高，可能對相鄰電池、電池包甚至電池艙體的機械結構帶來更不利的影響；由于H2和C2H4的含量較高，LFP電池熱失控氣體層流燃燒速度更快。即不同正極材料電池內部的熱失控強度和外部燃爆危險性之間存在協(xié)調現(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，其產生的氣體爆炸風險和危險性更高。
除H2、C2H4等可燃氣體外，電解液蒸氣的危害也不容忽視，2021年北京大紅門儲能電站的火災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溶劑、鋰鹽和添加劑三類物質組成，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溶劑。由于這些有機溶劑的沸點較低，在電池熱失控的高溫下會迅速蒸發(fā)，安全閥開啟后隨可燃氣體一起通過安全閥排出。有學者使用20 L球形爆炸容器測量了三種常見電解質溶劑（DMC、EMC和DEC）的爆炸特性，并通過化學動力學分析軟件Cantera對爆炸壓力結果進行了理論分析，發(fā)現(xiàn)它們的爆炸強度參數(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性。此后，有學者研究了可燃氣體與DMC混合的爆炸危險性，研究結果表明，DMC的存在將增加混合物的爆炸危險性。近期，有學者基于加速量熱儀實驗確定了340 Ah LFP電池第一次排氣產物中的可燃氣體和電解液蒸氣兩種成分含量的真實比例，并基于該比例通過改進的20 L爆炸球測定了混合物的爆炸特性參數(shù)。結果表明，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，而熱失控氣體擴大了其爆炸濃度范圍。它們共同彌補了彼此在單相介質爆炸參數(shù)上的不足，從而提高了兩相系統(tǒng)的爆炸危險性。但是，上述研究大多采用100%荷電狀態(tài)（SOC）的電池進行實驗，并且在排氣過后收集產物進行分析，忽略了電池不同狀態(tài)（SOC、健康狀態(tài)（SOH））對排氣產物的影響以及電池排氣過程本身的動態(tài)特征，并且相關的理論建模工作較為匱乏，對多相產物爆炸機理認知尚存一定的局限性。
在排氣過程中，高溫的射流火焰可能會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，固體顆粒的存在會導致：可燃氣體點火時間延遲，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；相鄰電池表面的輻射和對流傳熱速率提高。因此，固體顆粒對相鄰電池的加熱效應非常重要，這將對電池間的TRP產生影響。此外，固體顆粒粉塵的存在也會增加可燃氣體的爆炸危險性。然而目前固體顆粒的噴射機制、傳熱貢獻以及多相產物之間的相互作用機理尚不清晰。
明確電池熱失控燃燒和爆炸特性是儲能系統(tǒng)安全設計的前提。中國科學技術大學團隊發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的燃燒過程通常經歷第一噴射火階段、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。該團隊還通過計算流體力學（CFD）還原了火災或爆炸前的氣體擴散過程，研究表明，開放空間中爆燃產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)）在安全閥打開后迅速擴大，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，在電池包設計時，需避免可燃氣體在閥體上方形成混合聚集區(qū)，通過物理引導將可燃氣體快速分散至非敏感區(qū)域；結合LFP產氣特性優(yōu)化泄壓閥開啟壓力閾值，平衡泄壓效率與氣體可燃風險。此外，應制定可燃氣體擴散狀態(tài)與爆燃能量的量化評估方法，建立不同通風條件下的氣體危險濃度閾值數(shù)據(jù)庫，探究多尺度通風系統(tǒng)（電芯 ? 模組 ? 機柜 ? 集裝箱）的協(xié)同防護效能。
北京理工大學團隊通過實驗數(shù)據(jù)分析和理論建模，對開放環(huán)境下NCM軟包電池的爆炸特性進行了比較系統(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，提出了爆炸風險和災害評估方法。電池包是封裝構型，爆炸沖擊波可能會在電池包中來回反射并形成馬赫桿，爆燃將會轉變?yōu)楦鼑乐氐谋Z，因而可考慮設置吸能材料來改進電池包設計。此外，相關理論分析手段可為LFP電池爆炸危險性的分析提供參考。
（二）“模組 ? 包 ? 艙體”多層級火災爆炸特性分析
對模組、電池包、電池簇和電池艙層級火災爆炸危險性進行分析的前提是明確熱失控多層級蔓延特性。對于模組和電池包層級的熱失控蔓延特性，目前多采用實驗以及模擬方法進行研究。而對于電池簇和電池艙層級的熱失控蔓延，實驗成本和危險性均不可控，一般采用數(shù)值模擬進行研究，目前僅陽光電源股份有限公司和比亞迪股份有限公司等公司公開報道了針對單個和多個儲能艙體的大規(guī)模燃燒測試。
目前，對模組內熱失控在不同影響因素下蔓延特性的探究相對充分，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（風冷、液冷、相變冷卻）、熱失控觸發(fā)條件（加熱、針刺、過充）和空間狀態(tài)（封閉、開放、半開放）等對TRP的影響。① 相較于方形和軟包電池側面直接接觸加熱，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、噴出高溫物質等因素影響，而對于方殼及軟包電池，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，針對不同SOC下LFP電池模組的TRP實驗表明，只有在100% SOC下，才會發(fā)生TRP。③ 高SOC下，熱失控更加劇烈。老化會改變電池特性，增加電池發(fā)生熱失控的風險，但是由于內部活性材料的損失，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。④ 并聯(lián)的電連接方式會加速TRP，促進正在發(fā)生熱失控的電池釋放更多能量，還會縮短電池排氣和熱失控之間的時間間隔，不利于熱失控預警。⑤ 在電池熱失控觸發(fā)后，將熱量進行快速且合理的疏導，避免大量傳遞至臨近電池是抑制TRP的關鍵，目前主要有風冷技術、液冷技術和相變冷卻技術。風冷技術的研究主要關注基于強制空氣冷卻的電池熱管理系統(tǒng)改進，包括電池排列和氣流通道設計。液冷技術的研究主要關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注解決相變材料（PCM）熱導率差、可用潛熱有限和易燃的缺點。通過添加金屬顆粒與碳納米管等高導熱添加劑可得到高熱導率的復合相變材料，通過將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題，可通過添加阻燃劑來降低易燃性。由于流體的熱導率更高，液體冷卻系統(tǒng)具有更明顯的散熱能力、更快的冷卻速度，所以液冷技術正成為目前儲能系統(tǒng)冷卻形式的主流選擇。同時，得益于高潛熱、高比熱、化學穩(wěn)定、無毒無腐蝕性，以及操作方便和維護成本低等特點，PCM近年來也逐步得到應用，但仍需深入研究以探索大規(guī)模商業(yè)應用的可行性。⑥ 不同觸發(fā)方式對模組前三節(jié)電池TRP行為產生影響，對后幾節(jié)電池的影響不大。⑦ 相較于封閉體系，開放體系的電池爆炸、電池噴射出的火焰對其他電池影響較小，而受限空間內的熱失控火焰將促進模組內熱失控的傳播。
當某一模組完全失控并起火時，噴射火焰將引起并主導豎向熱失控傳播，進而導致模組間的TRP行為。TRP一般表現(xiàn)出順序蔓延、無序蔓延和同步蔓延的傳播特征，其中順序蔓延和無序蔓延指空間尺度傳播特征，同步蔓延指時間尺度傳播特征。熱失控在空間尺度無序蔓延的同時，一般表現(xiàn)出同步蔓延的特點，即不同位置多個電池的熱失控在一個很小的時間窗口內發(fā)生。TRP初期，在相鄰電池固體傳熱主導下，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；由于熱失控產生的火焰預熱效應，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順序在不同實驗中有所差別，即表現(xiàn)出同步蔓延和無序蔓延的特點。當模組間TRP無法抑制時，可能進一步形成電池包層級的TRP。由于同步蔓延期間能量釋放比較集中，對應著更大的熱釋放率，因此在該蔓延期間，高溫煙霧燒穿了電池包頂蓋，導致大量氣體進入與可燃氣體混合，試驗觀察到猛烈噴射火焰，電池外殼損壞和質量損失更嚴重。然而，由于電池表面接觸傳熱、火焰、煙氣流動等傳熱機制相互耦合以及電池排氣、內部化學反應進程本身的隨機性，尚不清楚哪種類型的傳熱效應在觸發(fā)熱失控中起關鍵作用。
電池包層級TRP特性的研究相對匱乏。相較于模組，TRP過程中電池包內相鄰電池的傳熱量增加，意味著電池包內可能更容易發(fā)生TRP。熱失控觸發(fā)方式同樣影響電池包TRP特性，過充條件比熱觸發(fā)條件更具危害性，因此對儲能系統(tǒng)充電狀態(tài)的監(jiān)測極為重要。由于電池包是封裝的，在頂板的存在下，熱失控火焰將促進TRP；此外，電池噴閥產物將在電池包上部空間積聚，合理的電池包通風面積、空腔體積和通風策略可使可燃氣體體積分數(shù)維持在爆炸下限（LEL）以下，從而避免爆炸事故的發(fā)生。
對電池簇層級的火災研究發(fā)現(xiàn)，單個電池包起火可能引發(fā)兩個非相鄰電池包之間的TRP，即電池包的熱失控能夠通過火焰輻射實現(xiàn)跳躍式傳播。如果電池包層級的熱失控未得到有效抑制，電池熱失控噴閥產物和火焰可能將蔓延至整個儲能艙。已有研究基于FLACS等軟件分析可燃氣體在儲能艙內的擴散行為和可燃氣體探測器位置的優(yōu)化布置。Barowy等的實驗表明，不斷擴散的熱失控可能通過產生極易點燃的氣體環(huán)境而引發(fā)爆炸危險，爆炸情景可能發(fā)生在單體電池排氣后的幾秒內（即快速點火），也可能是在氣體長時間積聚后發(fā)生的延遲點火，尤其是當消防系統(tǒng)啟動時更為常見。為防止儲能艙體的爆炸破壞造成更大范圍的災害蔓延，需根據(jù)相關標準進行通風和泄爆口設計，但是這些基于經驗和半經驗公式的預測結果尚需提高精度。因此，中國石油大學（華東）團隊基于OpenFOAM建立了三維全尺寸儲能艙燃燒模型，通過該模型評估了氣體爆炸對儲能艙結構以及周圍環(huán)境的影響。此外，還基于熱阻網(wǎng)絡和CFD建立了儲能艙層級火蔓延的半降階模型（SROM），以較高的計算效率實現(xiàn)整艙火蔓延預測。數(shù)值模擬結果表明，熱失控觸發(fā)位置對TRP及火災行為具有顯著影響。當熱失控在較高位置觸發(fā)時，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)更高的火災發(fā)展速率和峰值熱釋放率。但是以上研究假設較多，難以反映真實情況，如未考慮氣體爆炸對熱失控傳播的影響；可燃氣體組分含量的設定基于真實電池熱失控產氣的比例，未考慮熱失控傳播過程中的動態(tài)變化；未考慮電解液蒸氣和顆粒物等多相產物的影響等。
雖然對“電池單體 ? 模組 ? 電池包 ?艙體”多層級的TRP特性有了一定的認識，但對模組及以上層級儲能系統(tǒng)的火災爆炸危險性的量化分析較為匱乏，關鍵難點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性，即儲能系統(tǒng)的火災爆炸危險性無法通過基于電池單體的分析簡單擴展得到。目前的一種做法是，基于一種氣體成分的產生只與一種化學反應相關、氣體組分固定等假設，建立電池熱失控產氣、排氣等子模型，直接模擬電池噴閥，進而通過CFD模擬熱失控產物在電池包內的擴散行為，獲取各成分含量變化情況，計算著火下限（LFL）、LEL等燃爆危險性動態(tài)變化指標。另外一種方法是通過精心設計熱失控實驗獲得上述邊界條件，然后將其作為CFD模型的輸入，消除了額外假設和電池子模型需求，在降低計算成本的同時提高準確性，但實驗方法的通用性還需進一步探討。所以，由于機理認知和模擬手段的局限性，仍不能實現(xiàn)熱失控傳播的多相多尺度耦合建模，尚不能準確量化儲能系統(tǒng)的各層級燃爆危險性。已有研究中，電連接形式、電池組布置方式、電池包結構設計等因素也暫未得到充分考量。
四、鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災爆炸風險防控技術研究現(xiàn)狀
（一）電池本征安全
電池是儲能系統(tǒng)的基本能量存儲單元，是儲能系統(tǒng)的核心部件。從結構設計、制造工藝和材料體系改進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能安全問題的重要手段。
合理的電池結構設計可以提高能量密度、功率密度、循環(huán)壽命和安全性等關鍵性能指標，最大限度發(fā)揮材料性能、抑制副反應和衰減機制，從而提升綜合性能和使用壽命。如合理的CB值與N/P比設計等；通過設置正溫度系數(shù)（PTC）部件等斷路裝置，可在電池過流、過熱時自動切斷電路，防止事故擴大；設置安全閥等泄壓裝置，當電池內部壓力異常升高時，安全閥可以自動開啟，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致電池內阻升高或短路而形成安全性問題。比如電極基體平整度差、活性材料中混入雜質、極耳焊接不牢、極片邊緣有毛刺等問題都會增大電池間的不一致性，影響電芯的安全性。在電池制造過程中控制正負極漿料配置、涂布質量和干燥、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。
電池材料改進是提高電池熱穩(wěn)定性的重要手段。當前一般通過摻雜（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)電池的負極材料是石墨等碳基材料。為提高負極材料穩(wěn)定性，有學者提出采用新型負極材料（如硅基材料），并通過多級碳結構策略和共價包覆等手段提升其穩(wěn)定性；在熱失控過程中，電解液與電池正負極活性材料反應，產生可燃氣體，釋放大量熱量。目前常見的做法是通過阻燃劑等添加劑改善電解液的安全性，如通過在電解液中添加抗氧化劑（如β-Ca）可以在保持電化學性能的同時，有效抑制高鎳NCM電池熱失控過程中由正極活性氧釋放引起的交叉反應，阻止熱失控發(fā)生。固態(tài)電解液因其出色的結構和熱穩(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題。但固態(tài)電池并不絕對安全，如陶瓷固態(tài)電解質仍面臨鋰枝晶生長等問題，美國桑迪亞（Sandia）國家實驗室的一項研究表明，在短路失效場景下，高能量密度配置固態(tài)電池的溫升可能會超過傳統(tǒng)鋰電池，引發(fā)更高的風險，因此固態(tài)電池熱失控機理仍需深入研究；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發(fā)生收縮，導致孔隙率降低，從而增加電池內部短路的風險。為此，研究人員開發(fā)了具有更好熱穩(wěn)定性的新型隔膜，如結合聚偏二氟乙烯（PVDF）和低成本無紡布（NWF）制成的復合隔膜以及通過多巴胺（PDA） ? 陶瓷復合改性隔膜，使隔膜即使在230 ℃時也無明顯熱收縮。在提高隔膜熱穩(wěn)定的基礎上，開發(fā)出了多途徑控制熱失控反應的新型隔膜，如Thermal-Coupled Overheating Response（TCOR）隔膜兼顧了高熱穩(wěn)定性、良好的導熱性并可以通過熱響應切斷電池內部反應，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式分解反應、通過消除自由基有效撲滅火焰的雙重阻燃機制，使電池的火災爆炸安全風險被進一步降低。
除電池材料改進、PTC等內部安全策略，通過在電池內部布置其他安全功能組件，可降低電池熱失控風險。如通過在軟包電池中加入溫度響應毒化層（TPL）或冷卻功能隔膜（CFS），阻斷了電池熱量積累早期還原性氣體對正極的“還原攻擊”路徑，在強制加熱條件下成功阻止了熱失控的發(fā)生。但上述內部安全策略存在響應速度慢、操作電壓窗口小、不可逆性等問題，因此研究人員提出了一種基于熱響應聚合物開關（TRPS）的新型材料，該材料由電化學穩(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)的聚合物基質組成，在正常溫度下，TRPS薄膜具有高導電性，電池可以正常充放電。然而，當電池內部溫度升高到TRPS材料的轉變溫度（如70 ℃）時，聚合物基質發(fā)生熱膨脹，導致導電顆粒之間的接觸斷開，電導率急劇下降，從而迅速切斷電流，防止電池過熱和熱失控。當溫度降低后，聚合物基質收縮，導電顆粒重新接觸，電導率恢復，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的問題，研究人員提出了一種創(chuàng)新的界面工程設計策略：在正極與電解質之間引入普魯士藍類過渡金屬捕獲層，能夠高效吸附正極溶解的過渡金屬離子，阻止其遷移至負極并誘發(fā)鋰枝晶成核。
（二）主被動防控手段
1. 監(jiān)測預警
安全監(jiān)測技術通過監(jiān)測儲能系統(tǒng)中各組件和設備的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)可能的安全風險并作出應對，對事故的發(fā)生起到一定的預防作用。目前的監(jiān)測手段主要基于BMS和各種傳感器實現(xiàn)。主要監(jiān)測的參數(shù)包括溫度、氣體、電壓、變形、膨脹力等。
電池溫度可以通過熱電偶、熱敏電阻、電阻式溫度探測器（RTD）、薄膜傳感器和光纖傳感器等進行監(jiān)測，其中RTD、薄膜傳感器和光纖傳感器可以植入電池內部來監(jiān)測電池內部的溫度信號。當電池發(fā)生熱失控時，其內外溫差可能很大（相差數(shù)百攝氏度），電池內部熱過程從開始到轉移至電池表面的時間間隔可能有幾十秒，內部和外部溫度的過大差異以及溫度傳播的延遲會導致預警、冷卻和滅火等安全措施的滯后，所以獲取電池內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的研究熱點。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顯著提高BMS的可靠性。隨著具有良好導電性、高比表面積和優(yōu)異機械性能的柔性傳感器出現(xiàn)，通過內置傳感器實現(xiàn)對多個參數(shù)的實時監(jiān)測已成為可能，為智能電池的推廣創(chuàng)造了基礎。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、技術集成難度大。除傳感器直接監(jiān)測方式外，通過監(jiān)測電池表面溫度和電化學模型預測電池內部溫度已經在商業(yè)鋰電池中廣泛應用。雖然基于模型的溫度預測可以準確預測電池的內部溫度，但它們通常需要大量的電池信息，電池內阻隨SOC、SOH和溫度的變化以及電池內部成分之間復雜的相互作用為建模帶來了很大的困難。電化學阻抗譜不需要任何傳感器，消除了傳熱延遲問題，但是會帶來很多額外成本，測試所需時間較長，此外在測試數(shù)據(jù)中解耦電池老化和極化效應帶來的影響等問題仍未得到充分解決。如何非破壞性地、準確地且在動態(tài)操作條件下量化鋰離子電池內部溫度分布和變化對電池熱安全管理具有重要意義，上述手段均無法同時滿足這些要求，針對此問題，采用同步輻射X射線衍射斷層掃描（XRD-CT）和多通道準直器—XRD（MCC-XRD）技術，實現(xiàn)了對18650電池在高倍率充放電條件下的內部溫度分布高時空分辨率實時監(jiān)測。
氣體傳感器主要包括H2傳感器、揮發(fā)性有機化合物（VOC）傳感器、CO傳感器等。對于氣體檢測，CO和碳氫化合物被認為是安全警告（熱濫用或過充情況）的有效指標。然而，上述氣體來自電解質或SEI分解（>90 ℃），在電池內部溫度較低（<50 ℃）且熱失控尚未出現(xiàn)的鋰枝晶生長期不能作為指標。Jin等首次提出了一種通過H2捕獲來檢測微米級鋰枝晶的方法，以實現(xiàn)更早期的安全預警。通過電池簇級的安全預警實驗，表明在檢測到H2的同時關閉充電電源，即使被真實儲能艙中的其他電池組阻擋，H2仍然可以作為預警指標，實驗中既沒有觀察到煙霧也沒有觀察到火災。此外，電池排氣的聲音信號也被用作預警信號，LFP電池模組的熱失控實驗表明，通過檢測該信號可以在火焰出現(xiàn)前1061 s實現(xiàn)預警，但該信號容易受到噪聲干擾。
電池熱失控過程中會伴隨著電壓的變化。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)驅動的方法。在LFP電池的過充實驗中識別了電壓轉折點（VTP），將這一特征作為最早預警指標?；陂撝档呐袛喾椒ǘ嘁蕾囉诮涷?，但電池工作環(huán)境復雜，難以設置合適閾值，需要根據(jù)環(huán)境條件和電池實際狀態(tài)動態(tài)調整閾值設定?；谀Ｐ偷姆椒ㄍㄟ^數(shù)學模型描述電池在過充等情況下的電壓和溫度變化，或通過等效電路模型中的電壓和局部異常因子進行故障檢測，能更全面地呈現(xiàn)電池電壓在故障條件下的演變過程，實現(xiàn)早期預警。數(shù)據(jù)驅動方法因不需要準確的電池模型而受到研究者的青睞，如基于串聯(lián)電池包交錯電壓測量拓撲的多故障診斷方法和基于k均值聚類算法的電壓不一致波動故障在線診斷與預測方法等。但是需要大量數(shù)據(jù)訓練以提高準確性，且多數(shù)數(shù)據(jù)源于實驗室，其運行環(huán)境與實際差異大，數(shù)據(jù)集穩(wěn)健性差，模型泛化性無法保證，難以在實際儲能運行中得到驗證。
熱失控過程中的內部壓力上升會導致電池膨脹，因此變形和膨脹力也是熱失控監(jiān)測預警的有效信號。目前對電池變形的監(jiān)測可以通過應變片、激光器、相機和光纖傳感器實現(xiàn)。應變片具有成本低、有效性和適應性強等優(yōu)點，是一種出色的機械變形傳感器，應用范圍廣泛。應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，用于變形測量。然而，應變片容易受到熱和電磁干擾；使用激光和相機對變形進行非接觸式測量，精度高，但是這種非接觸式測量方法通常用于實驗室研究，不適合在現(xiàn)場應用中進行實時監(jiān)測；光纖傳感器的優(yōu)勢除了良好的化學穩(wěn)定性和耐腐蝕性之外，還可以實現(xiàn)內部溫度、壓力以及變形等多信號的實時高精度監(jiān)測。此外，如果考慮大規(guī)模電池系統(tǒng)中的每個電池單元的監(jiān)測，則具有大量電纜和記錄設備的傳感系統(tǒng)將極其復雜且昂貴，分布式光纖傳感器將在多點同時監(jiān)測方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。
在電池熱失控多維信號演變研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)膨脹力信號的異常要早于電壓、氣體和溫度信號，并且該信號在充電倍率、環(huán)境溫度、預緊力和初始SOC等條件改變時表現(xiàn)出了更好的穩(wěn)健性，同時壓力傳感器技術成熟、布置簡單（一個串聯(lián)模組只需布置一個傳感器），因此開始關注將電池膨脹力升高速率異常作為最早的預警指標。該指標在過充和加熱條件下都表現(xiàn)出了更好的預警效果，及時斷電或關閉加熱板能夠有效防止熱失控傳播。此外，有學者通過設計機械裝置放大熱失控時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進行預警時需要注意，在正常的充放電過程中由于鋰離子在正負極的脫嵌，正負極內應力和體積發(fā)生變化，電池產生可逆膨脹變形，膨脹力也會隨之波動，在測量時應考慮此影響，避免將正常操作檢測為故障。此外，電池老化會造成電池機械性能變化，產生不可逆膨脹，因此應在不同老化條件下確定膨脹相關信號檢測閾值。目前，不同的研究中設定的閾值不盡相同，應綜合考慮電池材料、容量、狀態(tài)、使用條件和包裝類型的差異，以準確確定警告閾值。
綜合以上監(jiān)測技術，有學者提出了基于多信號融合監(jiān)測的儲能系統(tǒng)多級預警策略。如電壓 ? 溫度 ? 氣體聯(lián)合預警策略、膨脹力 ? 溫度 ? 電壓信號聯(lián)合預警策略等。目前儲能電站主要監(jiān)測溫度、電壓和氣體信號，并設置特性參數(shù)閾值進行警告，但大多數(shù)情況下，熱失控發(fā)生時電池內部的不可逆連鎖反應已被觸發(fā)，監(jiān)測預警效果往往不及預期，并且由于成本、空間、數(shù)據(jù)收集和存儲的限制，儲能電站無法實現(xiàn)對所有電池的完整參數(shù)進行實時監(jiān)控。隨著儲能云平臺的建立，通過智能數(shù)據(jù)壓縮算法和第五代移動通信（5G）技術控制數(shù)據(jù)傳輸和存儲成本，借助云端強大算力，儲能系統(tǒng)的實時智慧監(jiān)測將成為可能。
2. 消防和泄爆抑爆
鋰離子電池火災比較特殊，相較于其他火災形式，其燃燒劇烈，火勢蔓延迅速，釋放大量有毒氣體和粉塵顆粒。即使將明火撲滅，由于電池內部的化學反應仍在持續(xù)進行并釋放熱量，電池容易復燃，難以通過常規(guī)物理稀釋隔絕氧氣或切斷燃燒鏈的方法徹底撲滅。所以，高效的滅火技術對控制鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災事故發(fā)展、減輕鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災事故后果至關重要。
用于鋰離子電池火災的常見滅火劑包括水基滅火劑和氣體滅火劑。水基滅火劑是儲能電站滅火的常見選擇，細水霧噴頭能有效撲滅電池明火，給燃燒模組降溫，短時間細水霧一般不會影響電池使用。雖然細水霧系統(tǒng)對電池模組的損害很低，但是高壓細水霧的成本比較高，并且可能造成電氣設施的短路。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能電池模組的初期火災，但無法防止模組發(fā)生復燃。目前儲能系統(tǒng)常采用全氟己酮／七氟丙烷+細水霧的消防模式，即通過全氟己酮／七氟丙烷撲滅初期火災，通過細水霧降溫防止復燃。但如前所述，這一消防模式中，細水霧可能威脅電氣設施安全，而只采用全氟己酮／七氟丙烷又無法有效防止復燃，所以目前很多儲能和消防從業(yè)人員認為大水漫灌和放任燃燒仍是最有效的方式。因此，眾多學者提出了針對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（細水霧與CO2協(xié)同、細水霧與液氮協(xié)同等），在實驗室階段取得很好的成效。
針對消防系統(tǒng)的設計，有學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、電池模組等層級的分布式滅火方式以及儲能電站層級的集中式滅火方式。隨著《電化學儲能電站安全規(guī)程》的頒布與實施，Pack級全氟己酮消防技術在儲能消防領域已得到廣泛應用和認可。目前消防探測和預警系統(tǒng)一般參照《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》設計，采用獨立通信方式、在本地集中控制，缺少與BMS、電能管理系統(tǒng)（EMS）智慧聯(lián)動的安全管理策略。因此，文獻基于電池熱失控過程中的副反應現(xiàn)象設計了儲能電站火災探測報警系統(tǒng)，并提出火災探測多系統(tǒng)聯(lián)動和分級預警設計構想。在儲能消防裝備設計方面，有學者基于多層協(xié)同預警技術和不同防護滅火策略開發(fā)了儲能系統(tǒng)的靶向消防防控裝備，但也有研究指出，大多數(shù)消防項目設置存在“重部件、輕系統(tǒng)”的傾向，組件設計存在集成化度低、兼容性差等嚴重的技術不足。因此，有必要從儲能系統(tǒng)的整體視角優(yōu)化消防系統(tǒng)的設計、布置和控制策略，從硬件和軟件兩方面進行消防系統(tǒng)集成；同時通過研究鋰離子電池靶向消防裝備，提高消防裝備對大規(guī)模鋰離子電池火災的適用性。
關于儲能系統(tǒng)的泄爆抑爆設計，現(xiàn)有儲能艙體主要采用設置泄壓口的泄爆方式，泄壓對于集裝箱式鋰離子電池儲能系統(tǒng)的有效性得到了驗證，但國內尚沒有針對儲能系統(tǒng)泄爆面積的計算方法，設計時多參考美國NFPA 68標準中的方法。目前，國內針對防爆的解決方案主要通過在可燃氣體探測器報警后開啟防爆風機，通過氣體置換降低儲能預制艙內的可燃氣體濃度，以達到防爆效果。但在事故發(fā)生時，需關閉事故防爆風機以維持預制艙內的滅火劑濃度，若滅火劑無抑爆效果，整個儲能艙將存在巨大爆炸風險。因此，利用惰性氣體控制艙內可燃氣體濃度、降低可燃氣體極限氧濃度，研究具有更高防爆抑爆性能的材料，將有效提高儲能系統(tǒng)的防爆抑爆能力。
由于消防系統(tǒng)的經濟效益并不直接體現(xiàn)，且其功能并非持續(xù)發(fā)揮，往往容易出現(xiàn)投機行為。作為儲能安全的最后一道防線，近年來國內外對消防安全的重視程度進一步增加，從國家標準層面對儲能消防配置提出了明確的底線要求。2023年，美國保險人（UL）安全試驗室修訂了UL 9540《儲能系統(tǒng)和設備》，新增了交流與直流儲能系統(tǒng)概念，基于大規(guī)模燃燒測試修訂了儲能系統(tǒng)容量限制，新增了防爆泄爆保護要求；該試驗室還在2024年頒布了UL 9540B標準，填補了住宅儲能系統(tǒng)大規(guī)模防火測試的空白。美國消防協(xié)會在2023年修訂了NFPA 855《固定式儲能系統(tǒng)安裝標準》，增加和修訂了對火災探測和滅火、爆炸控制、排氣通風、氣體探測的要求，并提出了大規(guī)?；馂脑囼炓?。2024年英國標準協(xié)會發(fā)布PAS 63100《電氣裝置 住宅用電池儲能系統(tǒng)的防火保護規(guī)格》，規(guī)定了在使用固定式二次電池作為儲能介質的家庭住宅中安裝小型電池儲能系統(tǒng)（BESS）的消防安全要求。我國目前消防設計所遵循的國標為《電化學儲能電站設計規(guī)范》以及《電化學儲能電站安全規(guī)程》，然而這兩項國標在儲能消防系統(tǒng)的設計環(huán)節(jié)并未提供詳盡的規(guī)范細則，而且從火災定性的角度來看，業(yè)內人士普遍認為其標準設定偏于寬松。因此，即將施行的修訂新版本提升了儲能火災的危險等級評定。由沈陽消防研究所負責起草的《電化學儲能電站火災監(jiān)測預警系統(tǒng)通用技術要求》正處于征求意見階段，該征求意見稿進一步規(guī)整了消防聯(lián)動的控制邏輯，清晰界定了探測裝置的響應臨界值，并且依據(jù)風冷、液冷儲能的不同特性做出了針對性區(qū)分。
3. 熱管理
除前文提到的風冷、液冷和PCM外，近期，有學者提出了通過氣凝膠、云母、發(fā)泡硅膠等隔熱材料保護電池包蓋板結構；有研究人員開發(fā)了一種集成了氣體調節(jié)功能的阻隔材料，不僅具有導熱、吸熱、隔熱能力，而且在高溫下可以釋放惰性氣體，有效隔離可燃氣體與火源（如高溫表面、電弧等）；通過在連接的石墨烯層之間嵌入熱膨脹微球開發(fā)的熱傳輸／隔離可切換的小型化熱調節(jié)器，在電池組正常工作條件下能夠降低電池組溫度差異，提高電池電化學性能；熱失控下能夠提供一個寬熱傳導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辟了新的途徑。
相較于冷板式液冷，近年來全浸沒式液冷技術逐漸得到市場關注。全浸沒式液冷是一種直接冷卻方式，通過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，同時兼具滅火效果，降低了火災爆炸風險；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液的實驗研究表明，浸沒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，浸沒式液冷技術已在儲能電站領域應用，大多數(shù)儲能公司均推出了浸沒式液冷儲能產品。但是全浸沒式液冷系統(tǒng)運維成本較高，尚未進入大規(guī)模應用階段；由于發(fā)展時間較短，各種冷卻介質和儲能系統(tǒng)各組件之間是否能在整個生命周期內保持良好的相容性尚不確定。
五、鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災爆炸風險防控技術發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)
（一）發(fā)展趨勢
1. 電池本體高安全材料體系技術產業(yè)化
《新型儲能制造業(yè)高質量發(fā)展行動方案（征求意見稿）》強調重點布局大容量高安全儲能電池、高功率高能效電池、儲能用固態(tài)電池等先進儲能型鋰電池產品。固態(tài)電池具有高能量密度、本質安全、長壽命、寬溫域適應性和快速充電等優(yōu)勢，有望徹底解決傳統(tǒng)鋰電池的瓶頸問題。因此固態(tài)電解質材料類型選擇（硫化物、氧化物、聚合物、鹵化物等）、離子電導率提升、界面工程、電極材料創(chuàng)新（高鎳三元、富鋰層狀氧化物等）、鋰枝晶抑制等問題一直是研究熱點。盡管當前仍面臨成本高、量產工藝復雜等挑戰(zhàn)，但其技術突破將推動電動汽車、儲能系統(tǒng)、消費電子等領域的全面升級，被視為下一代電池技術的核心方向，是各國在電池領域必爭的技術高地。
固態(tài)電池的技術路線選擇與產業(yè)化推進正呈現(xiàn)多元競爭與協(xié)同突破的態(tài)勢。目前，硫化物、氧化物、聚合物三大技術路線各具優(yōu)劣：硫化物因高離子電導率和適配高能量密度材料（如高鎳三元正極、硅碳負極）成為主流方向，但主要以日本和韓國的企業(yè)主導，國內正加速布局；氧化物路線憑借熱穩(wěn)定性和較低成本率先實現(xiàn)半固態(tài)電池量產，但其作為一種過渡策略，并不是顛覆性技術，良品率、充電倍率、循環(huán)壽命等都差強人意；聚合物路線加工兼容性強，但受限于低電導率，主要面向消費電子領域。從全球范圍來看，固態(tài)電池技術路線呈現(xiàn)“硫化物主導、多路線互補”格局，部分企業(yè)嘗試復合電解質以取長補短。
在產業(yè)化進程中，半固態(tài)電池已進入規(guī)?；瘧秒A段，國內外企業(yè)發(fā)布的全固態(tài)電池量產時間表大多在2026—2030年。隨著量產窗口臨近，技術路線將逐步收斂，全固態(tài)電池有望在高端電動車、低空飛行器等領域率先滲透，同時部分電池企業(yè)也在積極推進固態(tài)電池在儲能領域及民用領域的規(guī)?；瘧?。
2. 安全防控鏈條數(shù)智化
安全始終是儲能行業(yè)發(fā)展的核心關注點，而數(shù)智化技術為解決安全問題提供了新的途徑。目前，利用機器學習對電池進行充放電優(yōu)化和狀態(tài)估計等技術已經在電池安全管理領域發(fā)揮巨大作用。在熱失控預測方面，也開始有學者基于深度學習技術對電池安全邊界預測以及基于電池材料實驗的熱失控特征溫度預測進行探究。
在設計制造環(huán)節(jié)，數(shù)字化貫穿于原材料、裝備、工藝等各個方面?！缎滦蛢δ苤圃鞓I(yè)高質量發(fā)展行動方案》提出推動區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等新一代信息技術在新型儲能制造業(yè)廣泛應用。人工智能技術深度介入材料篩選和電池設計，通過大語言模型和垂直領域數(shù)據(jù)庫，搭建人工智能能源材料平臺，可大幅提高研發(fā)效率并節(jié)省成本。建立數(shù)字化的制造車間，引入在線檢測能力，能實現(xiàn)對制造過程的全流程監(jiān)控和質量追溯。一旦出現(xiàn)問題，可迅速定位到具體生產環(huán)節(jié)并進行調整優(yōu)化，保障電芯的高質量制造，減少制造缺陷帶來的安全隱患。
在儲能系統(tǒng)安全管理方面，智能化的BMS能緊密耦合能量管理系統(tǒng)、儲能變流器等軟硬件，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時共享和交互。同時，遠程監(jiān)控與基于數(shù)字孿生的智能運維平臺的廣泛應用，讓運維人員突破時空限制，實時掌控儲能系統(tǒng)動態(tài)，一旦出現(xiàn)異?？梢匝杆夙憫?。借助大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能技術，建立高精度的儲能系統(tǒng)仿真模型，對電池的全生命周期狀態(tài)、循環(huán)壽命、能量輸出等關鍵參數(shù)進行精準預測，實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的精細化、自適應控制。
3. 安全防控設計標準化
隨著電化學儲能技術在各領域的廣泛應用，安全防控設計趨向標準化成為必然發(fā)展方向。《新型儲能標準體系建設指南》明確提出，到2025年在電化學儲能等新型儲能領域要形成較為完善的系列標準，加強國內外交流，支撐標準“走出去”，逐步構建適應技術創(chuàng)新趨勢、滿足產業(yè)發(fā)展需求、對標國際先進水平的新型儲能標準體系。
標準化設計通過建立普適性技術指標（如熱失控閾值、BMS響應精度等），明確各環(huán)節(jié)安全邊界，促使電池廠商、集成商與運營商形成技術共識，降低因接口混亂或性能錯配引發(fā)的隱性風險，推動產業(yè)從“無序競爭”轉向“協(xié)作創(chuàng)新”。
標準化為技術優(yōu)化提供可量化對標體系。例如，通過統(tǒng)一熱失控抑制效能評價方法，可加速新型阻燃材料或智能滅火技術的研發(fā)驗證；通過規(guī)范電池健康狀態(tài)監(jiān)測算法，可提升大數(shù)據(jù)驅動的壽命預測模型可靠性。在標準化框架下，企業(yè)研發(fā)投入更具方向性，技術成果更易轉化為行業(yè)通用方案，形成“技術突破—標準更新—市場推廣”良性閉環(huán)。
標準化設計通過明確安全性能分級和認證流程，為政府制定準入政策、保險機構評估風險、用戶選擇產品提供客觀依據(jù)。同時，標準化技術參數(shù)（如消防系統(tǒng)響應時間、絕緣失效閾值）可轉化為監(jiān)管部門的執(zhí)法抓手，避免“事后追責”的滯后性，實現(xiàn)全生命周期風險閉環(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，對多物理場耦合作用下的跨尺度鏈式演化機制缺乏動態(tài)解析；在危險性評估領域，針對單體電池的熱失控機理已有較成熟模型，但對模組、艙體及系統(tǒng)層級的風險傳播規(guī)律與量化評價方法仍顯不足；在防控技術方面，本征安全改性、熱管理優(yōu)化等被動防御手段雖取得進展，但基于數(shù)字孿生的主動預警、多級協(xié)同阻遏等智能化防控體系尚處于探索階段。與此同時，儲能應用場景向高能量密度、分布式方向延伸，進一步加劇了傳統(tǒng)防控技術與復雜動態(tài)風險間的適配性挑戰(zhàn)。此外，安全防控技術評價偏重實驗室環(huán)境下的單一技術驗證，缺少工程場景下的技術集成適配性研究。為滿足政府、企業(yè)和用戶等各方主體對新型儲能安全性、可靠性的要求，亟需構建儲能系統(tǒng)多層級安全動態(tài)評價體系，探索各系統(tǒng)安全運行邊界，進而優(yōu)化整體協(xié)同工作效能。
2. 安全防控成本與經濟效益平衡難
鋰離子電池儲能的規(guī)?；l(fā)展在降低度電成本的同時，也加劇了安全防控投入與經濟效益的結構性矛盾：一方面，材料集約采購（如碳酸鋰價格下降）、工藝優(yōu)化（良品率提升）與技術迭代效應（能量密度提升）推動電芯成本持續(xù)下降；另一方面，本征安全技術（如高熱穩(wěn)定性材料、電芯優(yōu)化設計、固態(tài)電池）、系統(tǒng)級防護（熱管理、監(jiān)測及消防系統(tǒng)）和基于數(shù)字孿生的預測性運維體系導致安全成本非線性攀升。破解該矛盾需通過“材料 ? 工藝 ? 系統(tǒng)”三級協(xié)同優(yōu)化，開發(fā)兼具安全性與經濟性的材料體系，應用人工智能等數(shù)字化技術優(yōu)化質檢工藝、提升制造精度，并通過安全系統(tǒng)聯(lián)動與安全管理策略智能化升級降低系統(tǒng)冗余成本；同時依托政策工具（階梯補貼、安全基金）與產業(yè)鏈協(xié)同（標準化接口、循環(huán)利用）分攤風險，最終實現(xiàn)規(guī)?；当九c安全強化的動態(tài)均衡。
3. 新型應用場景催生新型風險
百兆瓦時級電站可集成數(shù)十萬電芯，傳統(tǒng)單點防護策略失效。雖然在當前測試標準下，由濫用條件觸發(fā)電池大規(guī)模內短路的概率已經極低，但作為多層級復雜系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)安全風險層層富集，系統(tǒng)級故障概率隨儲能規(guī)模增加快速攀升；在多技術耦合場景中，鋰電與液流電池、氫儲能的混合部署引發(fā)熱管理兼容性難題；極端環(huán)境適應性缺口凸顯，熱帶高濕地區(qū)可能導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險尚未在現(xiàn)行標準體系中充分考慮；長時儲能下鋰電池高深度循環(huán)可能加劇電極材料結構疲勞，提高安全風險。需構建多層級防護架構：通過電芯級本征安全設計、模組級物理隔離及系統(tǒng)級智能阻斷，建立覆蓋新型技術組合的跨學科安全設計準則與動態(tài)環(huán)境適應型標準，實現(xiàn)規(guī)?；c安全性的協(xié)同演進；開發(fā)多物理場耦合仿真平臺，精準預測10年以上超長周期下的材料失效路徑，構建自適應安全邊界調控算法，實現(xiàn)新型儲能體系從“被動防護”向“壽命周期主動免疫”的范式升級。
4. 全生命周期安全管理實踐困境
在制造階段，工藝波動引發(fā)的本征缺陷難以被常規(guī)檢測手段完全捕獲，導致隱性風險向后續(xù)環(huán)節(jié)傳遞；在運行階段，電池老化路徑的強非線性特征使得傳統(tǒng)健康狀態(tài)評估模型預測精度不足，運維策略難以精準匹配實際衰減進程；在退役環(huán)節(jié)，因梯次利用標準缺失與殘值評估體系不完善，導致重組電池安全閾值模糊，低質產品流入次級市場形成隱患。生命周期中全鏈條數(shù)據(jù)割裂進一步加劇管理盲區(qū)：制造期、服役期乃至與退役診斷信息未能有效貫通，將阻礙風險溯源與跨階段協(xié)同防控。各環(huán)節(jié)安全邊界的動態(tài)演變與技術迭代速度的失衡，最終形成“局部優(yōu)化、整體脆弱”的系統(tǒng)性風險積累態(tài)勢。需構建“制造 ? 應用 ? 回收”數(shù)據(jù)貫通體系，開發(fā)多尺度缺陷數(shù)字孿生檢測平臺與基于人工智能技術的電池狀態(tài)預測方法，建立覆蓋電池“出生”至“再生”的區(qū)塊鏈溯源認證網(wǎng)絡，實現(xiàn)全鏈條風險穿透式管理。
六、鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災爆炸風險防控措施建議
（一）聚焦鋰電池安全基礎技術研究
研發(fā)先進原位表征技術，動態(tài)解析電池充放電循環(huán)、熱失控等關鍵過程的微觀演化規(guī)律，揭示電池失效機理與安全邊界閾值。建立電化學參數(shù)、熱力學參數(shù)與電池宏觀性能的定量映射關系，解耦多場耦合下電化學相互作用機制，突破理論設計與實際制造間的匹配性瓶頸。開發(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程，實現(xiàn)對失效演化路徑的精準預測?；诜抡婺Ｐ徒⒒谌斯ぶ悄艿碾姵卦O計 ? 檢測一體化平臺，實現(xiàn)材料選型、結構優(yōu)化與制造工藝的閉環(huán)驗證。結合實驗驗證與大數(shù)據(jù)驅動方法，構建“機理 ? 數(shù)據(jù)”雙輪驅動的電池安全知識圖譜，為高本征安全性電池體系設計及主動防控策略提供理論支撐，推動電池技術從經驗試錯向精準設計范式升級。
（二）深化系統(tǒng)集成與工程化安全設計
鋰電儲能安全防控需以系統(tǒng)集成與工程化設計的深度協(xié)同為突破口，解決“局部優(yōu)化、整體脆弱”的工程難題。通過構建“電芯 ? 模組 ? 包 ? 簇 ? 艙體”層級的全鏈條安全架構，整合熱管理、消防抑制、電氣隔離等子系統(tǒng)的動態(tài)協(xié)同機制，設計自適應冗余策略與故障容錯邏輯；推動標準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)字孿生技術模擬復雜場景下的鏈式失效路徑，結合多物理場仿真優(yōu)化安全裕度與閾值參數(shù)；建立覆蓋設計、制造、運維的全生命周期安全驗證體系，通過實驗數(shù)據(jù)與模型驅動的雙向反饋，量化系統(tǒng)級安全邊界，實現(xiàn)從“功能疊加”到“系統(tǒng)韌性”的工程范式躍遷，為規(guī)?；瘍δ芴峁└呖煽啃缘募山鉀Q方案。
（三）強化全生命周期安全管理
建立并嚴格執(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準，實現(xiàn)對關鍵工藝參數(shù)的精細化控制、在線質量監(jiān)測技術的應用以及嚴格的出廠測試，確保電池產品在初始狀態(tài)即具備高可靠性和一致性；借助數(shù)字孿生、邊緣計算等先進技術，構建儲能電站的實時健康狀態(tài)評估體系，實現(xiàn)對電池性能衰退、潛在故障的早期識別。通過對歷史運行數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的深度挖掘與分析，建立實現(xiàn)精準預警的運維監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在故障發(fā)生前進行預警和干預，有效避免安全事故的發(fā)生，并延長系統(tǒng)使用壽命；制定完善的退役電池殘值評估和安全檢測標準，包括對電池容量、內阻、循環(huán)壽命以及安全性能等關鍵參數(shù)的評估，建立健全的退役電池追溯體系，明確各環(huán)節(jié)責任主體，保障梯次利用過程安全可控。
（四）優(yōu)化標準體系與監(jiān)管機制
進一步對齊并融合國內外標準，形成統(tǒng)一的安全測試、生產制造、監(jiān)測運維的標準和認證體系；推動電芯、模組、系統(tǒng)層級的安全認證與國際主流標準的接軌，促進全球儲能產業(yè)的健康有序發(fā)展；針對工商業(yè)儲能、大型儲能電站、移動儲能、家用儲能等不同應用場景，細化安全規(guī)范，制定更具針對性和可操作性的安全標準；加快標準體系建設，匹配技術迭代速度，使標準體系盡快覆蓋固態(tài)電池等新型技術路線。構建由政府主導、企業(yè)參與的儲能安全大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控、安全風險的動態(tài)評估與預警，以及事故發(fā)生后的快速溯源與責任追溯；整合企業(yè)運行數(shù)據(jù)、政府監(jiān)管數(shù)據(jù)以及第三方檢測數(shù)據(jù)，形成全方位、多維度的數(shù)據(jù)支撐，為政府監(jiān)管決策提供科學依據(jù)，同時促進企業(yè)提升安全管理水平。
（五）完善應急響應和保險體系
制定多級應急響應機制和預案，涵蓋從預警、事故確認到應急處置的全過程，明確各環(huán)節(jié)的責任主體和操作流程，如熱失控隔離措施、故障快速切除機制以及緊急停機程序等；進行常態(tài)化安全演練，檢驗預案的可行性，提升應急隊伍的協(xié)同作戰(zhàn)能力和快速反應能力。積極推動保險產品創(chuàng)新，開發(fā)針對儲能系統(tǒng)特點的專屬保險，涵蓋設計、制造、安裝、運行維護以及退役等各個環(huán)節(jié)的潛在風險；探索將安全技術指標（如熱失控抑制能力、系統(tǒng)防護等級）與保險費率掛鉤的機制，通過經濟杠桿促進企業(yè)提升儲能系統(tǒng)的本質安全水平。
（六）促進產業(yè)鏈協(xié)同與跨學科融合
建立涵蓋材料研發(fā)、制造工藝、系統(tǒng)集成及循環(huán)利用的標準化協(xié)作框架，推動電池模組、消防設備等接口的標準設計，降低兼容性成本；搭建跨學科聯(lián)合研發(fā)平臺，融合電化學、材料科學、力學、人工智能及環(huán)境工程等多領域技術，攻克熱失控多物理場耦合機理、動態(tài)風險評估等共性難題。強化“政 ? 企 ? 研”協(xié)同機制，構建數(shù)據(jù)共享與聯(lián)合驗證體系（如區(qū)塊鏈溯源網(wǎng)絡、多層級實驗平臺），加速本征安全材料、智能阻斷技術的產業(yè)化落地。通過政策引導（如專項基金、標準互認）與市場激勵（如綠色金融、碳足跡認證），形成“技術攻關 ? 標準制定 ? 商業(yè)推廣”閉環(huán)，最終實現(xiàn)安全防控技術的高效迭代與規(guī)?；瘧谩?/span>
注：本文內容呈現(xiàn)略有調整，若需可查看原文。
