电化学储能火灾安全分析及防控对策

电化学储能火灾安全风险分析及防控对策时间：2023.2.21目

录

电化学储能发展及安全形势

储能电池热失控机理及火灾动力学特性

电化学储能火灾防控技术进展

技术展望电化学储能发展及安全形势

储能是各国能源战略的重要内容，也是能源互联网的重要环节

截至

2021

年底，全球已投运电力储能项目累计装机规模

209.4GW，同比增长

9%；

抽水蓄能的累计装机规模占比首次低于

90%，比去年同期下降

4.1

个百分点；

新型储能的累计装机规模紧随其后，为

25.4GW，同比增长

67.7%；

锂离子电池占据绝对主导地位，市场份额超过

90%。电化学储能发展及安全形势

我国电化学储能发展现状我国新型储能市场累计装机规模（2000-2021）我国新型储能累计投运规模预测

在国家“碳达峰”“碳中和”

双重目标要求下，储能作为战略性新兴产业快速发展

“十四五”是加快构建以新能源为主体的新型电力系统，推动实现碳达峰目标关键时期

2026年新型储能累计规模将达到48.5GW，2022-2026年复合年均增长率（CAGR）为53.3%宏

作为新型能源载体，锂离子电池需求量将持续增大电化学储能发展及安全形势

电化学储能火灾后果严重造成4名消

防

人员受伤2019年4月美国储能系统爆炸造

成

2

名消防人员死

亡

，

1名工作人员失踪2018年7月

韩国风电场储能电站起火爆炸：经济损失达46亿韩元2017年山西某火力发电厂储能系统发生2起火灾，大火持续7小时2021年4月北京某储能项目起火

韩国电化学储能产业发展较早，2018.05~2019.05，1000余座电化学储能电站发生较大的火灾23起，每座年发生火灾概率高达1.5%！给我国带来的警示？人员伤亡、重大财产损失、威胁电力安全，严重制约电化学储能行业发展，技术瓶颈问题目

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电化学储能发展及安全形势

储能电池热失控机理及火灾动力学特性

电化学储能火灾防控技术进展

技术展望储能电池热失控机理及火灾动力学特性

锂离子电池工作原理正极反应：LiM

O

充放

电

Li

M

O

+xLi+-正极材料：钴酸锂、磷酸铁锂、三元等负极材料：石墨、钛酸锂、硅碳负极等电解液：锂盐(LiPF

等)+有机溶剂(EC)等+xexy1-xxy负极反应：nC+xLi++xe-

充放

电

LixCn6总反应：LiM

O

+nC

充放

电

Li

M

O

+Li

C隔膜材料：聚乙烯、聚丙烯等xy1-xxyxn

电池系统火灾爆炸规律电池单体热失控产气电池舱内火蔓延复燃、爆燃风险复燃电池质量问题持续反应再次燃烧机械滥用热滥用爆燃宏舱内积聚再被引燃电滥用储能电池热失控机理及火灾动力学特性

基于绝热加速量热仪，开展锂离子电池的绝热热失控测试

获得热失控特征参数，研究锂离子电池热失控演变机制38Ah

方形三元/石墨电池，148mm×91mm×26mm。SOC：0%，50%，

100%绝热加速量热仪实物图储能电池热失控机理及火灾动力学特性

根据电池的特征行为规律，阶段性划分电池的热失控孕育过程Voltage44.104.054.00VoltageTemperature3210ІVSafetyventing(151.2oC)MicroshortcircuitinsidetheLIB(134.5oC)1340

1360

1380

1400

1420

1440

1460

1480

1500

152ІІІtime(min)ІІІ0200

400

600

800

1000

121010100101010103-1104105time

(min)Temperature

Rate(

C

min

)o

StageI:

25oC~T

(90.6oC)；在EV-ARC的加热作用下，电池温度稳定升高；onset

Stage

II:

T

~

T

(134.5

oC);

电池触发自加速反应，温度缓慢升高；在T

，隔膜开始融化，电池发生微短路，onsetISCISC电压掉落；

StageIII:T

~T

(157.6

oC)电池温升速率加快，当温度达到阈值时（T

），电池发生热失控；ISCtrtr

StageIV:

电池发生热失控，其温度表现出指数型增加，在极短的时间内达到

T

(522.6oC)max储能电池热失控机理及火灾动力学特性

热失控孕育机制锂离子电池热失控演化机制示意图储能电池热失控机理及火灾动力学特性

比较了不同SOC下电池的内短路温度（T

）、热失控触

(1-a)6(1-b)(2-b)(3-b)0%

SOC

500104103102101Temperature

Rate0%

SOCVoltage43210%SOCISCVoltage240220200180160140120TemperatureTemperature发温度（T

）、温升速率（dT/dt）、峰值温度（T

）以54321400300trmax154.1oC及相关动力学参数等1001050

1055

1060

1065

1070

1075

1080

1085

1090

1095

1100244.6

oCDT2001000201.7

oC10-10%50%96.3100%90.6154.1

oC10-210-3Tonset/oCT

/oC--˃˃0610020030040050005001000150020002500600Temperature

Rate50%

SOCTmax(2-a)TonsetTISC

Ttr104154.1201.7

˃--152.0170.5383.7134.5157.6522.65432105004003002001000103102ISCTtr/oC101100170.5

oC10-110-210-310-4T

/oCmax96.3

oC152.0

oC(dT/dt)max/oCmin-1ІІІ

ІІІІV6.41066.34174.00200400600800100012001400160050100150200250300350400450time

(min)Temperature

(oC)6Voltage6005004003002001000100%

SOCTemperature

Rate100%

SOC(3-a)105TemperatureTonset

TISC

TtrTmax5104103∆H/kJ--------196.5125.7336.774.11.0543210102∆Tad

/oC101100157.6

oC10-1˃134.5

oCEa

/eV1.1490.6

oC10-210-310-4ΙΙΙ

ΙΙΙΙV8.75×10121.66×1012A

/min-10200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200100200300400500600time

(min)Temperature

(oC)储能电池热失控机理及火灾动力学特性

设计搭建了基于ISO9705标准的大型锂离子电池火灾危险性测试平台

研究了18650、50~320Ah大型锂离子电池在不同荷电状态下的火灾危险性

50~320Ah

磷酸铁锂/石墨电池火灾特性实验

SOC：0、25、50、75、100%

热失控方式：外部加热、过充等

20~120Ah三元/钛酸锂电池火灾特性实验

SOC：0、25、50、75、100%

热失控方式：外部加热、过充等

电池热失控可燃气体测量

测试方法：采样测试储能电池热失控机理及火灾动力学特性

大容量锂离子电池火灾行为规律SOC50%LFPO

100%LFPO

0%LTO

50%LTO

100%LTO加热功率（kW）33444点燃时间第一次喷射火第二次喷射火第三次喷射火975.81250.81107.71348.946292880390010931465568（s）燃烧时间（s）

大容量锂离子电池火灾行为稳定燃烧阶段（1）加热膨胀阶段；（2）着火阶段（第一次射流）（3）稳定燃烧阶段；（4）多次射流火焰（高SOC）（5）火焰逐渐熄灭储能电池热失控机理及火灾动力学特性

大容量锂离子电池火灾行为规律50点燃时间燃烧时间荷电状态100%

SOC50%

SOC0%

SOC000004629容量3900热释放率随时间变化关系28802594242114651348.91250.81107.71093975.856843835510Ah-100%

50Ah-50%

50Ah-100%

200Ah-100%

50Ah-0%

50Ah-50%

50Ah-100%SOC

LFPO

SOC

LFPO

SOC

LFPO

SOC

LFPO

SOC

LTO

SOC

LTO

SOC

LTO600800100012001400160018002000Time

/

s

揭示出电池多次射流火的根源(电极与电解液反应)，及其与SOC的关系

电池容量的增加：点燃和燃烧时间均增长；

荷电状态的增加：点燃时间和燃烧时间均缩短；

电极材料的改变：LTO点燃时间长，燃烧时间短储能电池热失控机理及火灾动力学特性

设计并搭建了全尺寸电池模组火灾测试平台

研究了圆柱形、方形电池模组热失控传播及火灾蔓延规律Heater12345

系统研究了不同型号、形状、荷电状态等电池模组的热失控传播行为与火焰特性宏标准储能集装箱（20英尺）火灾实验测试平台储能电池热失控机理及火灾动力学特性(1-a)(1-b)(2-b)(3-b)(1-c)(2-c)(3-c)(1-d)(2-d)(3-d)

热失控传播行为特征Heater435s501s563s665s825s442s515s571s672s826s451s530s581s682s827s500s562s635s730s气体释放并被点燃(2-a)(3-a)123

4

51#电池被加热触发热失控(4-a)(5-a)(4-b)(5-b)(4-c)(5-c)(4-d)(5-d)①

电池受热并发生膨胀阶段；②

安全泄压阶段，大量气体被迅速释放；③

着火阶段（射流火阶段）；④

稳定燃烧阶段；宏⑤

火焰逐渐熄灭。858s储能电池热失控机理及火灾动力学特性

电池前后壁面温度变化100%SOC电池组电池序号.1#2#3#4#5#Ti-f

(oC)T

i-b

(oC)T

(oC)∆ti#

(s)∆ti#→(i+1)#

(s)2876672810--51578391463907540590683871712694106459max热失控传播过程示意图10008006004002000T1-fT1-rT2-fT2-rT3-fT3-rT4-fT4-rT5-fT5-r71359314889.1Qi#→(i+1)#

(kJ)--28.731.435.171s35s93s148sDt1#

2#

Dt2#3#Dt3#

4#Dt4#

5#-200宏Dt1#Dt2#

Dt3#500Dt4#Dt5#-400300400600700

750

800900time(s)电池前后壁面的温度-时间变化曲线储能电池热失控机理及火灾动力学特性

热失控传播机理分析Thermal

runaway

propagation

between

3#

and

4#

LIB10008006004002000T3-fT3-bT4-fMelting

point

of

aluminumT4-cellT4-b660

oCTmax(

559

s,

391

oC

)(

664

s,

399

oC

)Ttr,ARC(

571

s,

78

oC

)(

674

s,

99

oC

)T3-b∆t3#∆t3#→4#∆t4#-200ΙПIIIT4-f-400

3#电池发生热失控时，释放出大量的热，

T

迅速T4-cell3bT0升高达到峰值（~

600oC），4#电池前表面被剧烈加热，T

迅速升高；4f

4#电池的前壁面和其电芯之间形成温差，4#电池火

接焰

触加

传热

热电芯温度开始升高；

4#电池电芯的最高温度（靠近前表面位置）超过电池的热失控触发温度(T

>T

)

,4#电池进入celltr,ARC热失控阶段。储能电池热失控机理及火灾动力学特性

SOC对热失控传播特征参数的影响100%

SOC50%

SOC电池序号T/oC∆t

∆t/sQT/oC∆t/s∆tQmaxi#i#→(i+1)#i#→(i+1)#maxi#i#→(i+1)#i#→(i+1)#/s/kJ/s/kJ1#2#3#4#5#728683717694645108－71－5844864574815605047353131－－28.731.435.189.129444432915971.056.254.053.0121093593148

电池之间传递的热量(Q)，相邻电池间热失控传播时间(∆ti#→(i+1)#)随SOC的降低而增大。

一旦发生热失控，电能转化为热，使得SOC越高时，电池的峰值温度越高，电池内部热失控扩散所需时间（

∆ti#

）更少。目

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电化学储能发展及安全形势

储能电池热失控机理及火灾动力学特性

电化学储能火灾防控技术进展

技术展望电化学储能火灾防控技术进展1、电化学储能电站火灾安全设计规范电芯及模组火灾性能火蔓延特性及模型预测预警与灭火优化实验电化学储能电站消防设计规范2023年7月1日起正式实施

基于大量的锂离子电池和模组火灾特性研究、灭火剂和灭火方法的实验研究以及系统的理论分析，修订《电化学储能电站设计规范》，新编《电化学储能电站安全规程》《电化学储能电站生产安全应急预案编制导则》等国家标准电化学储能火灾防控技术进展University

ofScience

and

Technology

ofChina1、电化学储能电站火灾安全设计规范

发展了基于热失控临环境界温度和标准化热释放速率峰值的锂离子电池火灾危险性分级评价方法，遴选出高安全电池火灾危险性级别热失控临界温度分级说明热箱实验极度（含爆炸危险）I级II级III级IV级严重危险中度危险轻度危险宏500100%SOC50%SOC0%SOC0燃烧实验热释放速率峰值0锂离子电池火灾危险性等级划分矩阵图00600800100012001400160018002000团体标准：《锂离子电池火灾危险性通用试验方法》（T/CNESA

1004—2021）Time

/s电化学储能火灾防控技术进展2、准确可靠的热失控预测预警技术精准预测预警技术：表征电池热失控的预警参数确定？电池结构和传热模型等电池热失控的预警参数不同类型、大小及SOC电池过充、外短路、环境加热等失控实验外表温度、端电压、内阻等参数环境加热失控实验装置过充失控实验装置电化学储能火灾防控技术进展2、高效热管理与准确可靠的热失控预测预警技术精准预测预警技术：预警策略问题？内阻/电压特征参数提取一级二级故障预警温度/梯度热失控模型三级预警热失控预警+降温CO预警报警模块VOC三级报警+灭火烟雾多参数融合的多级预警策略

研发了多参数耦合的电池火灾预警技术及装备产品，实现了对电池热失控火灾的三级预警功能电化学储能火灾防控技术进展3、快速精准灭火与抗复燃技术TC12TC11TC10灭火技术：灭火剂选哪种？3.0cm1.5cm后

表

面TC7前

表

面电

池TC83.0cmTC97.5cm加

热

管前

表

面TC7TC8TC10TC4

TC5

TC6TC9TC4

TC5

TC61.8cm7.5cm样品电池：38Ah三元NCMTC1111及C3

温度测量布置TC2T

不同灭火剂、灭火方式、电池排布灭火实验过程电化学储能火灾防控技术进展3、快速精准灭火与抗复燃技术6005004003002001000各灭火介质灭火过程关键参数

灭火剂要求

快速灭火高效冷却七氟丙烷二氧化碳ABC干粉水喷淋全氟己酮无灭火剂

123

绝缘0100200300400500Time(s)不同灭火介质抑制过程中电池温度变化

七氟丙烷、全氟己酮、水喷淋、ABC干粉均可扑灭电池明火，未复燃；而CO

灭火后电池发生复燃，CO

对电22池火焰抑制效能最差。宏

降温冷却效能优劣：水、全氟己酮、HFC、ABC

干粉和CO

。但水有可能诱发系统外短路从而引起新的火灾2

现有灭火介质无法阻