2017—2024年全球电化学储能电站火灾爆炸事故统计分析

作者：袁帅1 崔煜杰2 程东浩1,3 台枫1 吴金中2

单位：1. 中国民航科学技术研究院 2. 重庆交通大学 3. 北京市民航安全分析及预防工程技术研究中心

引用本文：袁帅, 崔煜杰, 程东浩, 等. 2017—2024年全球电化学储能电站火灾爆炸事故统计分析[J]. 储能科学与技术, 2025, 14(6): 2362-2376.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.1151

本文亮点：1.目前的研究大多是对一起电化学储能电站事故进行原因分析，缺少对电化学储能电站事故案例的统计分析，本文筛选出自2017年至2024年6月期间的87起电化学储能电站事故案例。 2.统计结合德尔菲法和风险矩阵法探究造成电化学储能电站事故的多层原因，计算15种风险因素的风险值，对风险因素的大小进行排序，从而提出针对性的预防措施，为后续降低电化学储能电站事故风险提供参考。

摘 要 随着锂离子电池在电化学储能电站的广泛应用，电化学储能电站火灾和爆炸事故频繁发生。为深入研究这些事故的致灾因子，本文统计了2017年11月至2024年9月期间全球范围内发生的90起涉及锂离子电池的电化学储能电站火灾爆炸事故，并围绕电池类型、发生事故的国家、储能电站的运行状态、事故致因四个方面进行了统计分析；采用德尔菲法与风险矩阵法对设备风险、人为风险和环境风险涉及的15个风险因素进行了系统评估。研究结果表明：三元锂电池更容易引发火灾爆炸事故，由其引发的事故数量是磷酸铁锂电池的2.5倍；韩国发生的事故数量最多，共34起，占全球事故总数的37.8%；电化学储能电站在运行期间发生事故的最多，共计72起，占事故总数的80.0%；在事故致因中，人为因素导致的事故占比最大，为43.3%；冷却系统故障、电池过充、BMS/PCS/EMS异常、消防设施不足和环境高低温五个风险因素为高风险因素。针对这些高风险因素，本文提出了相应的防控措施，以提升电化学储能电站的整体安全性。

关键词 电化学储能电站；火灾爆炸事故；统计分析；风险矩阵法

目前，能源危机与环境污染已经成为制约现代社会经济发展的两大问题。联合国提出可持续发展目标，在七十五届联合国大会上，中国响应全球气候变化挑战，提出“碳达峰”和“碳中和”两大目标。2024年作为“碳达峰”的关键点与窗口期，中国构建了绿色安全的新型储能系统，以加快推进“碳达峰”工作。目前主流的新型储能方式包括泵送储能、飞轮储能、压缩空气储能、电化学储能等。电化学储能电站利用电化学原理，通过充放电过程来储存和释放电能的系统，在可再生能源整合、电网调峰、应急电源等方面发挥着重要作用。近年来，可再生能源发电技术的大规模应用加快了电化学储能技术应用，根据中关村储能产业技术联盟(China Energy Storage Alliance，CNESA)的统计，中国自2011年以来开始建设电化学储能电站(electrochemical energy-storage stations，EESSs)，截至2023年底，电化学储能累计装机规模已达21500兆瓦，2011—2023年间，我国累计电化学储能装机规模年增长率均保持在20%以上，展现出持续快速增长的趋势，如图1所示。

电化学储能电站主要包括电池系统、电池管理系统(battery management system，BMS)、电力转换系统(power conversion system，PCS)、能量管理系统(energy management system，EMS)、监控和通信系统、冷却与温控系统、安全与保护系统及相关基础设施。随着电池技术的发展，电化学储能电站的电池多样。目前，常见的储能电池类型包括锂离子电池、铅酸电池、液流电池、超级电容等，不同储能电池的对比见表1。在多种储能方式中，锂离子电池凭借着技术成熟、能量密度高、循环稳定性好等优点脱颖而出。根据国家能源局的统计，如图2所示，近三年来，锂离子电池在中国电化学储能电站分布中占绝对位置。例如2023年，锂离子电池在全国电化学储能总装机量中占98.1%。

表1   不同储能电池特点的对比

图2   近三年中国电化学储能电池类型占比

然而，锂离子电池具有电解液的热不稳定性、电化学反应的放热性等缺点，当锂离子电池遭遇电滥用、机械滥用、自身缺陷、老化破损时，电池内部材料的物理与化学性质可能发生变化，导致锂离子电池温度呈现不可控上升，常伴随着氢气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、电解液蒸汽、氟化氢等有毒、有害气体的释放，同时，这些混合气体具有易燃易爆性，一旦在集装箱等受限空间聚集，遇到火源极易发生火灾爆炸事故。例如，表2统计了部分由锂离子电池引发的电化学储能电站的安全事故。这些事故不仅对人民生命财产造成巨大损失，而且严重影响了锂离子电池在电化学储能电站大规模的应用。

表2   近年来电化学储能电站的典型安全事故案例

为探究电化学储能电站锂离子电池安全事故成因，郭鹏宇等结合一起储能电站磷酸铁锂电池火灾事故，通过过充、短路试验分析了事故原因；曹文炅等结合韩国锂离子电池储能电站安全事故，探究了电池本体、运行环境、外部激源及管理系统四类要素对电池系统安全事故的触发及演化规律，并研究了各因素之间的相关影响机制；牛志远等通过仿真模拟了单一储能舱爆炸对周围储能舱的冲击，并研究了加装隔离措施对抑制储能舱爆炸蔓延的效果；Shen等[9]以一起电化学储能电站爆炸事故为研究对象，运用系统理论事故模型结合过充试验分析了爆炸事故原因；韩钰等调查了一起光伏储能电站磷酸铁锂电池预制舱火灾，经过事故调查，事故原因是配电箱因外部高压冲击短路引起火灾；为保障电化学储能电站的安全运行，宁雪峰等采用AHP-TOPSIS法对电化学储能电站的综合安全水平进行评估。

目前的研究大多是针对一起电化学储能电站事故进行原因分析，缺少对电化学储能电站事故案例的统计分析，本研究筛选出自2017年11月至2024年9月期间的90起涉及锂离子电池的电化学储能电站事故案例，从电池类型、事故发生的国家、事故发生时电化学储能电站运行状态、事故致因4个方面进行统计分析，结合德尔菲法和风险矩阵法探究电化学储能电站事故的多层原因，计算15种风险因素的风险值，对风险因素的风险值大小进行排序，从而提出针对性的预防措施，为后续降低电化学储能电站事故风险提供参考。

1 事故统计及分析

1.1事故来源

为确保数据的真实性与全面性，通过访问国内外新闻媒体官方网站和中国知网文献数据库(CNKI)检索等方式进行事故案例调研。由于部分事故案例时间跨度较大，公开报道的信息量有限，无法获得事故详细信息，但每起事故的发生国家、时间、事故电池类型等情况基本清晰。本次统计的事故案例信息相对完善，样本具有较强的代表性，可作为事故基本特征规律研究的数据支撑。经过多方信息互相验证，从2017年11月开始，到2024年9月，共有90起涉及锂离子电池电化学储能电站火灾爆炸事故。

1.2事故分类维度

电池本质安全至关重要，三元锂电池、磷酸铁锂电池安全性不同，全新电池、废旧电池、循环利用电池安全性也不同。因此，针对已发生的电化学储能电站事故中涉及的电池种类进行分类，探究是否存在某类锂离子电池更容易引发储能电站火灾爆炸事故。探究是否存在某一国家或地区事故发生频率更高，对事故发生国家进行分类。储能电站是一个复杂系统，不同运行时间、运行状态的电站可能发生事故的概率不同。电化学储能电站的投运时间也对电站安全运行产生较大的影响，因此，对电化学储能电站发生火灾爆炸事故时的运行状态进行分类。系统安全理论广泛应用于事故原因分析，使用钱学森院士提出的“人-机-环境”系统工程理论划分工程管理和事故分析，以“人、电池本体、环境”为三因素，进行事故致因分类，探究各类事故发生的主要原因。

1.3事故统计结果及原因分析

1.3.1 电化学储能电站事故中储能电池类型统计及原因分析

为满足高速增长的能源需求，电化学储能电站普遍选择高能量密度的电池作为储能单元，在此过程中往往忽视了其潜在的安全风险，储能电站的事故类型主要包括火灾、爆炸、中毒、烫伤、连锁反应等，考虑全球范围内统计范围大，相对于其他事故类型，火灾、爆炸事故产生的后果比较严重，为保证统计的准确性和代表性，仅对火灾、爆炸事故进行了统计。在事故统计中发现，火灾和爆炸有时存在相继发生的现象，因此，本文将事故后果分为三类：火灾事故、爆炸事故以及火灾爆炸事故，统计结果如图3所示。锂离子电池发生火灾事故的数量远远高于爆炸事故的数量，此外，三元锂电池更容易造成储能电站事故，85起已知锂离子电池种类的电化学储能电站事故中，由三元锂电池引起的电化学储能电站事故数达61起，占比约71.8%，主要原因如下。

（1）三元锂电池更容易发生热失控。研究表明，三元锂电池热失控触发温度比磷酸铁锂电池的热失控触发温度更低，且热失控触发时间更早，这是由于三元锂电池正极材料的热稳定性较差，并且随着三元锂电池内部镍含量的增加，导致其热稳定性下降，热失控触发温度更低。此外，随着电池荷电状态(SOC)的增大，三元锂电池热失控的敏感性将会提高，电压突变更快，危险性也变得越发明显。

（2）三元锂电池更容易起火和热失控蔓延。有研究表明，采用外部加热方式触发锂离子电池单体热失控时，外部加热很难引燃磷酸铁锂电池，而三元锂电池可自发引燃和喷射，且诱发三元锂电池单体热失控需要的热量更少，另外，三元锂电池不需要外部的氧气就可以发生燃烧，这是由于三元锂电池热失控过程中其正极材料分解产生氧气，加快了三元锂电池内部的化学反应。相对于磷酸铁锂电池模组，三元锂电池模组更容易发生热失控蔓延，且发生热蔓延速度更快，这是由于三元锂电池热蔓延过程产生的热量更多。

（3）三元锂电池热失控会释放更多的易燃易爆性气体。有研究表明，单位容量的三元锂电池热失控产气量是磷酸铁锂电池的2倍以上，因此，在一个受限的空间内，三元锂电池热失控产生的可燃性气体更容易达到爆炸下限，增大了三元锂电池发生火灾、爆炸的风险。

基于三元锂电池的上述特性，其在安全性方面需要更加严格的监管。因此，国家能源局综合司2022年6月29日发布《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022年版)(征求意见稿)》，其中提到中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池，不宜选用梯次利用动力电池，选用梯次利用动力电池时，应进行一致性筛选并结合溯源数据进行安全评估。在国家政策的要求下，我国电化学储能电站火灾爆炸事故数量明显下降，之后仅发生3起事故。爆炸事故不容忽视，在7起储能电站相关爆炸事故中，2起事故是储能设备本体发生爆炸，之后引起火灾；1起事故是集装箱电池系统内着火，当消防员打开集装箱舱门扰动了热失控气体，热失控气体遇到高温电池在集装箱内发生爆炸；1起是由于锂电池热失控气体在集装箱聚集遇到点火源爆炸；2起爆炸事故是在用水冷却起火电池系统时发生的，这是由于水导致电池系统外短路，引发电池系统热失控；1起是由于一个储能间起火，电池系统产生的热失控气体通过电缆沟进入另外一个储能间内聚集，之后发生爆炸。储能电站爆炸大部分是由于电池热失控产生大量可燃性气体，这些气体在储能电站(舱)等受限场所内聚集，达到其爆炸极限范围，一旦遇到电火花、高温热源等情况，就会发生爆炸。爆炸常带来冲击波、碎片冲击、有毒气体、热辐射、振动等危害。此外，在爆炸事故中，磷酸铁锂电池发生的爆炸事故数量是三元锂电池的两倍左右，磷酸铁锂电池爆炸风险更值得关注，这是由于磷酸铁锂电池热失控气体的爆炸范围更宽。

1.3.2 发生国家统计及原因分析

经统计，电化学储能电站火灾爆炸事故发生在韩国、美国、中国、澳大利亚、法国、德国、比利时、瑞典、英国、新加坡。由图4可知，韩国最多，发生的事故数高达34起，占统计事故总数的37.8%，可能原因有以下几个方面：2013年，韩国的储能项目不足30个。韩国在其可再生能源证书奖励政策激励下，对储能项目的大力推广，在一定程度上催生了行业快速发展，截至2019年，韩国的储能项目已经快速攀升至1490个。根据事故调查报告，电池缺陷、电机保护系统不良、经营环境不足、安装疏忽、储能系统管理不善是导致储能电站事故的原因。电池自身的安全问题也是导致事故频发的一个重要因素，韩国电化学储能电站多选用三元锂电池，这主要因为韩国各大电池企业以三元锂电池为主流产品，根据中国能源网统计的25起韩国电化学储能电站事故，事故中的锂离子电池均为三元锂电池。与此同时，电池管理系统或预警系统存在缺陷，可能导致无法及时发现并处理异常情况。

在统计的事故中，美国共发生25起火灾爆炸事故；其次是中国，共发生13起，欧盟国家共发生17起事故。从发生事故所用电池类型来看，美国一半以上的储能电站事故使用的储能电池为三元锂电池，而中国和欧盟国家储能电站大部分使用磷酸铁锂电池。从技术标准方面分析，德国、日本是在IEC/EN 62619基础上，根据自身国家的发展状况进行补充，运用到本国，对储能电池的机械安全要求较多；美国和加拿大采用UL 1973、UL 9540A等系列标准，对储能电池环境测试和热失控测试较全面；中国目前采用的是GB/T 36276、GB/T 34131等标准，中国标准更注意测试结果。2023年，中国、美国、德国、韩国、日本为全球电化学储能累计装机的前五大国家，装机规模也是影响美国事故多发的一个因素，储能电站的规模越大，电池数量越多，排列相对密集，单个电池发生故障时容易引发连锁反应，增加整体系统的安全风险，此外，大规模储能系统的管理和监测难度也更大，需要更高效和精确的电池管理系统来避免过充、过放等问题。

1.3.3 电站事故中储能电站运行状态统计及原因分析

电站分为建设、调试、运行和维护阶段。系统集成、施工运维到安全管理等方面可能存在的缺陷也不容忽视。根据事故信息可知，韩国电化学储能电站事故多数发生在充电中或充电后静置过程中，电池长期在高电流密度下快速充电或低温下充电，电池负极表面容易形成锂枝晶，锂枝晶的生长易刺破电池隔膜，导致电池内短路，进而引发火灾、爆炸事故。由图5可见，大部分的事故均发生在电化学储能电站正常运行期间，事故数为72起，占统计事故总数的80.0%。此外，有研究表明，相对于不加连接方式，并联方式会加速锂离子电池热失控蔓延，因此，需重点关注电化学储能电站运行期间的电池状态。运行期间的事故可能是由于以下原因：

（1）长期运行的累积效应：电化学储能电站在运行期间，储能电池会经历成千上万次的充放电循环，这种长期的循环会导致电池内部材料逐渐退化，电池安全性能递减，从而增大电池热失控的风险。

（2）高温环境的影响：电化学储能电站在运行期间，电池持续产生热量，若电化学储能电站的散热系统设计不合理或运行期间出现故障，电化学储能电站局部温度可能会持续升高，高温环境同时也会加速电池老化，多种不利环境降低了电化学储能电站的整体安全性，增大了储能电池的热失控风险。

（3）系统负荷变化：电化学储能电站在运行期间可能会面临不同的负荷需求和工作模式，如频繁地充放电、深度放电等情况，这些负荷变化会对电池系统造成更大的压力和挑战，进而增加电化学储能电站的故障与事故风险。

（4）预警系统的可靠性不足：电化学储能电站的预警系统和安全保护措施在运行阶段需要持续稳定地工作，预警系统的失效或误报均可能引起事故。例如，电池在运行期间温度持续上升，而预警系统发生故障，无法及时发现热失控的早期迹象，进而导致电化学储能电站故障演化为事故。因此，为了保证电化学储能电站的安全运行，需加强对储能电池系统的维护，定期检查和更新设备，不断完善预警系统。

（5）高SOC易导致过充：根据调查报告，约60%事故是在充电等待后发生，一方面，电池处于较高的SOC下易发生热失控，当部分电池出现一致性差等缺陷时，容易出现过充现象。

1.3.4 事故致因统计及原因分析

电化学储能电站的安全问题是系统性问题，事故的发生往往由多因素交互作用导致，如图6所示。这些因素往往会导致锂离子电池的三种滥用进而诱发锂离子电池热失控。本文将90起事故按照设备因素、环境因素及人为因素进行划分统计，结果如图7所示。设备因素主要来自电池本体和电机保护系统、冷却系统绝缘性等，电池本体因素主要有电池瑕疵和本体老化。储能电池在制造过程遗留的瑕疵，比如在涂布工艺过程中金属污染物颗粒的掺入、隔膜太薄、正负极流体边缘毛刺等缺陷，都会导致电池的一致性变差，部分储能电池选用梯次利用的动力电池，导致电池的老化问题日益凸显；电机保护系统主要是在外部电力冲击下，锂离子电池保护装置内多数元器件受损，导致锂离子电池保护装置内的直流接触器爆炸；冷却系统损坏后绝缘性降低，容易导致外短路，进而引发火灾。此外火灾前景，水喷淋装置误报触发也可能导致电池系统外短路进而引发火灾。环境因素主要包括雨水渗入、周围锅炉房爆炸等，进一步引发锂离子电池火灾事故。在已知的因素中，人为因素是导致电化学储能电站事故的主要因素，在90起电化学储能电站事故中，有38起事故的直接和间接原因是人为因素，占比43.3%。相关原因如下。

（1）人员操作失误：电化学储能电站的工作人员可能缺乏相关的培训，如误操作、忽视安全规程等。这些失误会导致储能电池出现过充、过放或短路等安全问题。2018年8月，中国某市磷酸铁锂电池仓在施工调试过程中发生火灾，事故原因是操作人员反接电池导致过充电。2024年4月，中国某市集装箱磷酸铁锂电池模组发生火灾，事故原因是员工施工调试设备时误操作致使消防水泵动作，引发高压细水雾灭火系统喷水，造成电池系统内磷酸铁锂电池遇水短路故障。

（2）安全管理体系不健全：目前，各国正不断完善电化学储能电站的各个阶段的法律法规，随着储能技术的发展，缺乏有效的安全管理体系和监管机构，将导致员工忽视安全管理问题。例如，国家能源局综合司发布的《关于加强电化学储能电站安全管理的通知》中提出，业主(项目法人)是电化学储能电站安全运行的责任主体，要将纳入备案管理的电化学储能电站安全管理纳入企业安全管理体系，健全安全生产保证体系及监督体系。建在高山、沿海地区的EESSs如果管理不善，水分、粉尘、盐水等不断侵入电池系统，将导致电池系统绝缘性不断降低，可能引发火灾。在设计阶段，EESSs就应建立综合管理体系。

（3）应急响应不及时：发生紧急情况时，若操作人员缺乏有效的应急响应和处理能力，可能会扩大事故。例如，北京“4.16”电化学储能电站爆炸事故中，员工缺乏应急演练，采用干粉灭火剂扑救南楼的火灾，不能及时扑灭初期火灾，导致南楼火势增大。南楼热失控气体通过电缆沟输送至北楼，这些可燃气体在北楼遇到电火花发生爆炸。

（4）安全意识不足：操作人员和管理人员的安全意识不足，可能会导致人员对潜在安全风险的忽视。例如，部分事故中，储能电池发生电池组漏液、过热、冒烟等现象，操作人员并未及时消除热失控早期的安全隐患。

1.4事故风险评估

为进一步确定风险因素对电化学储能电站火灾、爆炸事故影响的风险等级，利用风险矩阵法通过风险因素的发生概率和风险影响程度进行半定量评估。此方法具有直观易懂、适用范围广、突出重点防范因素等优点，因此，本文采用风险矩阵法评估风险因素的影响大小。根据调研得到的储能电站事故信息，确定储能电站风险类别和风险因素，如表3所示。风险类别包括人为风险、设备风险和环境风险三大类，风险因素包括操作不当、安装疏忽、维护不足、管理不当、运营操作环境管理不善、电池制造瑕疵、电池老化、电池材料缺陷、储能系统冷却系统故障、BMS/PCS/EMS异常、电池过充、消防设施不足、粉尘多、暴雨、环境高低温等15种。

表3   储能电站风险类别和风险因素

根据统计的电化学储能电站事故案例，按照15种风险因素对90起事故发生的概率和严重度进行等级划分，并对事故风险严重度和事故发生概率定量和定性分析，如表4和表5所示。

表4   事故风险严重度

表5   风险因素导致事故发生概率

德尔菲法又称专家意见法，是利用定性和定量相结合的预测方法，本方法具有专业性强、匿名性、信息反馈性和统计判断性等优点，本文采用德尔菲法确定严重度。专家组由电池企业工程师3名、储能电站安全工程师3人、消防救援人员2名组成，基于专家等权的原则，采用专家打分的算数平均值计算事故风险严重度，通过公式(1)计算。

其中，f0代表事故风险严重度专家打分结果，分别代表专家的打分结果，代表专家的数量。

f0为事故发生概率，可从事故案例统计结果获取数据，接着，通过公式(2)计算出风险值f0，最后，根据计算出的风险值从表6中查出对应的风险等级。

表6   事故风险等级

其中，表中绿色区间[1，5]代表低风险；黄色区间[6，12]代表中等风险；红色区间[15，25]代表高风险。然而，区间(5，6)，区间(12，15)未划分到风险区域，因此，对区间进行修正，修正后的低风险区间为(1，5]，中等风险区间为(5，10%]，高风险区间为(10，20%]。根据上述理论基础，对表3中15种风险因素的风险值进行计算，可得到其风险等级情况，计算结果如表7所示。

表7   储能电站风险因素的风险等级

综上所述，在15个风险因素中，储能系统冷却系统故障、电池过充、消防设施不足、BMS/PCS/EMS异常和环境高低温五个风险因素为高风险因素，从事故发生的概率和严重程度进行验证，得出的结果与发生的事故情况相符。因此，针对这些风险因素提出相应的防控措施。

2 锂离子电池储能电站火灾爆炸事故防控措施

本文从强化冷却系统的可靠性、优化电池系统防止过充措施、提高安全预警技术、提升消防安全技术水平和优化消防救援技战术策略五个方面提出锂离子电池储能电站火灾爆炸事故防控措施。

2.1强化冷却系统的可靠性

冷却系统是电化学储能电站的重要部件。一方面，冷却系统可以将电池自身和元器件产生的热量及时散出，将锂离子电池系统的温度控制在安全范围内；另一方面，当锂离子电池发生热失控时，冷却系统可在一定程度上延缓热失控蔓延的速率，避免事故进一步扩大。目前常用的冷却技术包括风冷技术和液冷技术，风冷技术是通过自然通风和强制对流降低电池系统的温度。液冷技术是以水、乙二醇水溶液、空调制冷剂等液体为介质，通过流动的介质将电池系统内部的热量及时散出。由于液冷系统冷却具有均匀性较好、冷却效率高、寿命长、能耗及故障率低等优点，液冷技术使用率快速攀升。然而，液冷系统的绝缘性要求更高，因为水、乙二醇水溶液一旦泄漏，可能造成电池系统外短路，引发热失控甚至火灾事故。为提升储能电站冷却系统的可靠性，需要对冷却系统的绝缘性、冷却液流量、温度等参数进行定期维护检查；此外，选用高质量且合适的冷却设备和材料，选用高质量、知名品牌的冷却设备，确保其性能的可靠性；研发先进的控制系统对冷却系统的运行状态进行实时监控，预测其使用寿命，从而及早发现并解决问题。同时，还可以优化其能源分配，强化储能电站冷却系统的可靠性。

2.2优化电池系统防止过充措施

电化学储能电站电池过充可能是多种因素造成的，一方面是电池老化导致电池内阻变化，引起过电压现象，相应地，需派专员定期对电池进行检查，发现电池老化或者损坏，应及时更换新电池；另一方面，充电过度可能导致电池的电压超出安全范围，当锂离子电池的SOC为20%~80%时，电池充电放电内阻均很小，发热量随之降低；同时，在此区间的锂离子电池不容易出现过充问题，大大降低了因锂离子电池过充造成的火灾风险，且在此区间内锂离子电池的寿命大大延长。此外，外部电源系统故障导致过电压，应配备外部电源保护装置，同时需要提高外部电源保护装置的可靠性，可通过BMS检测电池系统的电压、温度等参数，当电池系统充电至电压上限时，充电过程立即停止，确保其在安全范围内。

2.3提高早期安全预警技术

预警系统是储能电站安全预防体系中最重要的部分，电池开始出现故障时发出预警信号，通过断电等措施可完全预防热失控和火灾发生。储能电池早期火灾预警技术分为三级：电池表面缺陷及电池故障、早期热失控和电池早期火灾预警。

（1）电池表面缺陷检测技术是通过日常安全检查电池物理状态的改变，并利用检测算法对电池表面特征进行检测。储能电池故障检测方法较为常见，利用超声、反射式倾斜光纤光栅传感探针、显微镜观察、电化学阻抗谱等技术能够在故障早期及时检测到故障信号，并发出预警信号。但是这些方法尚处于实验室阶段。

（2）储能电池热失控早期到发生火灾期间，大量特征参数会发生明显变化，出现电压升高、阻抗异常、温度骤升、膨胀鼓包、热失控气体释放、安全阀破裂等现象。储能电站目前的预警技术通过电信号、热信号、气体信号、声信号、烟雾信号进行预警。电信号和热信号可通过电池管理系统实现，当某一特征参量超过阈值时发出预警信号，以实现早期安全预警的功能，此预警技术操作简单，在储能电站建设时已广泛应用。由于电池内外温差大，且电池模组的温度很难检测到，因此，温度信号预警技术存在较大的局限性和滞后性。Li等提出一种在线阻抗检测用于锂电池早期预警，可以实现不同热失控过程的精准预警。有研究表明过充诱发磷酸铁锂电池热失控过程中，与碳酸乙烯酯、CO和CO2气体相比，H2含量最高且最先被气体探测器感知，且H2探测技术联合断电可有效抑制电池簇内部热量集聚，此方法可实现热失控早期预警，且装置成本较低，目前在部分储能电站已经有所应用，通过监测热失控过程中不同气体的响应速度，可将H2、CO、CO2作为一级预警气体，HCl、HF作为二级预警气体。为避免电池内部压力过大，电池顶部设置有安全阀，热失控前期安全阀打开的声音可以作为特征声音被捕捉和识别，热失控排气声音信号预警技术在少量数据的情况下达到了92.31%的准确率，当声音信号预警系统采集到电池排气声信号采取断电措施，可有效阻止电池热失控蔓延，此预警技术具有实施方便、成本低等优点，目前已经在兆瓦级储能电站应用示范。基于以上成果，采用四个声学传感器可以实现电池故障报警和定位，定位误差为0.1 m，本方法安装较为简便，成本低，因此在储能电站预警中具有良好的应用前景。电池火灾早期预警是通过探测早期火灾特征参数进行预警，比如白色汽化电解液、高温烟气、火焰等特征，唐文杰等提出了一种基于气液逸出物图像识别的电池火灾早期预警方法，该方法在实际锂电池储能舱汽化电解液具有良好的效果，平均精准度达到83.65%；美国Nexceris公司利用此技术研发了SnO2基陶瓷半导体气体传感器；王春力等分析了储能电池热失控过程，提出了典型的电化学储能电站火灾探测报警系统，目前基于气液溢出物图像识别的电池储能系统早期预警技术十分成熟，但此阶段的预警相对比较滞后。

（3）单一的预警方法一般无法满足储能电站安全预警的准确率和有效性，通过综合考虑多因素融合技术，是储能电站早期安全预警未来发展的方向。有学者通过实验验证了优化设计集装箱式锂离子电池储能系统消防安全早期预警方法，此方法考虑电信号、声音信号和表面检测综合参量的变化，比传统电池储能系统早期预警方法提升了2.0%的准确率，且优化设计早期预警方法的漏警率和误警率降低了0.9%以上，刘同宇等将温度、特征气体、烟雾和挥发性有机化合物传感器耦合，可提前15 min预警目标磷酸铁锂电池热失控；因此，在提高储能电站安全预警的精度和准确性的基础上，降低成本是储能电站预警的战略方向，比如，采用BMS-声信号、BMS-特征气体、BMS-力信号多维度的预警技术，减少误报、漏保、准确低等问题，此外，基于大数据、机器学习、算法优化等技术的主动监测技术对储能电站的运行数据进行安全监测，从而在电池故障发生的初期就进行预警，提高储能电站早期安全预警，并在事故发生时，使用联合消防系统，实现有效灭火，同时进行报警，实现对电化学储能电站火灾的监测与智能研判功能。

2.4提升消防安全技术水平

造成电化学储能电站消防设施不足的原因包括多方面。目前，锂离子电池储能电站消防安全标准不足，仅有中国电力企业联合会发布的团队标准T/CEC 373—2020《预制舱式磷酸铁锂电池储能电站消防技术规范》，此标准对电站的消防设计、建设和运维技术提出了技术要求。2024年9月30日，广东省消防救援总队印发了《电化学储能电站消防安全技术标准(征求意见稿)》，此标准适用于广东省新建、改建或者扩建的固定式电化学储能电站，应加快建设锂离子电池储能电站消防安全标准体系。其次，针对电化学储能电站火灾的应对策略包括水喷淋以及七氟丙烷、全氟己酮、干粉等常规的灭火剂，七氟丙烷灭火效果有限，全氟己酮、干粉可以扑灭明火但无法抑制复燃，消防用水或者水喷淋系统可以有效冷却电池系统，但无法完全扑灭火焰，另外，消防用水作为一种优良导体会引发电池系统短路。缺乏针对性的消防灭火剂，常规的灭火剂无法实现既能快速灭火，又能高效降温以及解决爆炸的问题；国内的电化学储能电站大多采用磷酸铁锂电池，根据上文的分析，磷酸铁锂电池热蔓延速度较慢，具有爆炸风险，灭火剂的设计应注重灭火，同时要考虑吸附或惰化可燃性气体，进而降低电化学储能电站爆炸的风险。

2.5优化消防救援技战术策略

电化学储能电站发生火灾时，存在较多处置难点，如火场温度高、烟气浓度大，能见度低，火源不易查明。电池燃烧会产生有毒浓烟与易燃易爆气体，给消防人员的灭火工作带来较大困难。首先，消防救援队伍需了解电站的电池类型、运行原理、分类构成、电站结构等信息。在消防救援行动中，对于事故现场有人员被困的情况，须采取“救人第一、科学施救”的原则，同步进行人员搜救、冷却降温、堵截火势等行动；若消防现场无人员被困，则可采取“外部防控、冷却降温、远程监测、联合评估”的措施；针对电击、爆炸、中毒等情况，组织人员撤离至安全区域，穿戴防护套装，使用监测设备对电站集装箱内部的温度和气体浓度进行监测，防止爆炸对消防员的人身安全带来危害，使用灭火机器人、移动水炮等设备进行远距离灭火降温工作。此外，开展储能电站火灾事故调查的研究，需要通过现场勘探、分析事故发生过程、消防救援情况、火灾成因分析以及试验和仿真验证等方面，加强消防救援情况的研究，优化消防救援技术，形成一套技术方案，灵活处置事故。

3 结论

通过调研全球90起涉及锂离子电池电化学储能电站事故，并从储能电池类型、发生事故的国家、事故发生时电化学储能电站运行状态、事故致因4个方面进行统计分析，采用德尔菲法结合风险矩阵法对15种风险因素进行评估，得出高风险因素，提出针对性防控措施，主要得出以下结论。

（1）2017年11月至2024年9月期间，包括韩国、美国、中国在内的10个国家均发生过电化学储能电站事故，其中，韩国是发生电化学储能电站事故最多的国家，共发生了34起事故，美国也发生了25起事故，事故数量仅次韩国；由三元锂电池引发的储能电站事故数量是由磷酸铁锂电池引发的事故数量的2倍以上；72起事故均发生在电化学储能电站正常运行期间；38起事故的直接因素为人为因素，占比高达43.3%，设备因素占比高达32.2%。

（2）通过事故筛选出15个风险因素，包括电池制造瑕疵、电池老化、电池材料缺陷、储能系统冷却系统故障、BMS/PCS/EMS异常、电池过充、消防设施不足、操作不当、安装疏忽、维护不足、管理不当、运营操作环境管理不善、粉尘多、暴雨、环境高低温等。以德尔菲法和风险矩阵法评估风险因素，得出冷却系统故障、电池过充、消防设施不足、BMS/PCS/EMS异常、环境高低温五个风险因素为高风险因素。

（3）针对高风险因素，应从强化冷却系统的可靠性、优化电池系统防止过充措施、提高早期安全预警安全技术、提升消防安全技术水平、优化消防救援技战术策略五个方面提升电化学储能电站整体安全性。

此外，为强化EESSs系统性安全，还应从电芯的设计和制造入手，提升其本质安全；完善安全生产管理制度，颁发强制标准禁止破损电池进入储能电站；加大超早期预警技术研究力度，做到事故前数周预警；研发高效、冷却、防爆、绝缘多功能的专用灭火剂和开展电池簇级消防测试，为电化学储能电站安全、快速、长期发展提供技术保障。

第一作者：袁帅（1991—），男，博士，助理研究员，主要研究方向为锂离子电池安全；

通讯作者：程东浩，博士，副研究员，主要研究方向为危险品运输安全。