锂离子电池储能系统安全与标准研究进展

王学军，刘速，乔祥祺，杨峰*

(1.河南平煤神马采日储能科技有限公司，河南 驻马店 463100；2.炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室，河南 平顶山 467000)

储能系统（ESS）对新能源消纳、电网平衡、消峰填谷、调频调相、应急备用等都具有重要的现实意义。最近几年，在世界能源革命、“碳达峰碳中和”目标、可再生能源高质量发展、行业政策鼓励、技术取得重大突破、全球市场需求旺盛、相关产业内生转型需求等多重因素驱动下，工商业储能从快速发展迎来了当前的大规模、高质量跃升发展阶段[1-4]。与抽水蓄能等传统储能方式比较，电化学储能的突出优势主要在于其不受限于特殊的地理条件、建设周期短、可灵活运用于各类场景。以锂离子电池为代表的电化学储能建设周期短、调节能力强、响应速度快、能量效率高[5]，锂离子电池储能一直保持快速增长态势，累计装机规模持续扩大。截至2022 年底，全国新型储能装机规模约8.7 GW/18.05 GWh，平均储能时长2.1 h。其中锂离子电池储能占比94.5%，处于主导地位。2023 年上半年，我国新增投运的新型储能项目装机规模约为8.63 GW/17.72 GWh，表明中国储能行业正加速发展。2022 年，全球储能锂离子电池出货量为159.3 GWh，同比增长140.3%；2023 年全球储能锂离子电池出货量有望达230 GWh。从行业应用来看，电力系统依然是储能锂离子电池最大的应用市场。

安全性是储能系统最重要的话题。随着锂离子电池储能迈入规模化发展的“源网荷储”新阶段，数量大、种类多的锂离子电池在发电侧、电网侧、用户侧均发生过火灾，事故频发引起了业界广泛关注[6]。因此，电池安全问题近几年成为阻碍电池市场和新能源发展的关键原因之一。

1 锂离子电池储能安全问题

要实现“碳达峰碳中和”目标，需要重构能源体系。新能源大规模发展，必须加快推动高效储能系统规模化发展，弥补电力系统灵活调节资源不足的问题。欧美多国已将加快推动新型储能产业化发展列为国家战略。储能作为我国“双碳”目标关键支撑技术，2021 年至今已有600 多项国家及省市级储能相关政策出台，支持力度空前。储能已成为构建新型电力系统不可或缺的关键技术和基础设施。电化学性能优异的电池储能技术可以很好地结合间歇性的可再生能源，近年来在电网式规模化储能中展示了巨大的应用潜力，包括锂离子电池、铅酸电池、液流电池和钠离子电池等。电化学储能的优势包括系统规模大，响应速度快，在毫秒时间尺度内能够实现规定范围内的电能输入和输出。电化学储能能够精确控制，在可调范围的任何功率点稳定输出。此外，电化学储能还具有双向调节能力，充电时为用电负荷，放电时为发电电源。目前最成熟的是锂离子电池储能，2022 年全球锂离子电池产量1000 GWh，中国产量750 GWh。

锂离子电池储能系统容量通常为兆瓦时级甚至数百兆瓦时级，包含大型电池（连接到可再生能源等发电源）、电子控制系统、双向逆变器（PCS）、热管理系统和消防系统的结构，相当于一个“巨型充电宝”。目前国内电化学储能市场中，三元材料由于安全性问题被禁止使用，磷酸铁锂电池占据了储能的绝大部分市场。磷酸铁锂电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、安全性能好、自放电率小、无记忆效应的优点。电池组是锂离子电池储能系统的核心部分，通常由多个锂离子电池单体组成，由电池管理系统（BMS）和能量管理系统（EMS）进行监测和控制。电池组的容量和电压可以根据具体的储能需求进行设计和配置，通常采用模块化设计，可以根据需求进行灵活扩展。PCS 成本占比约为20%，仅次于电池（60%）。

安全是储能产业健康发展的前提。2019 年诺贝尔化学奖得主吉野彰工作的重要意义之一是提高了锂离子电池的安全性，从而实现了锂离子电池较为安全的商业化产品。但锂离子电池毕竟是一个能量体，活泼的正极材料、易燃易爆的有机电解液、极薄的隔膜和较高的工作电压，决定了锂离子电池存在安全隐患。挤压、碰撞、穿刺、高温、过充等都可能会导致锂离子电池短路，从而发生燃烧甚至爆炸。锂离子电池储能系统由大量的电气系统构成，电气火灾则可能诱发更严重的锂离子电池火灾。锂离子电池储能系统火灾的严重性远远大于电动汽车电池火灾[7]。尽管储能电池或储能电站起火的原因众多，但电池本身的热失控，以及电池模块和系统的热失控扩散，是行业目前最关注的安全问题[8]。

2 安全事故统计与分析

据不完全统计，全世界范围内锂离子电池储能相关火灾安全事故每年发生30 起左右。锂离子电池火灾与普通火灾有一定的区别，锂离子电池作为能量聚集体，在热失控发生后容易引发周围电池发生连锁反应，并具有燃烧剧烈、热蔓延迅速、毒性强、烟尘大、危害性大、易复燃、扑救难度大等特点。由于储能系统的特殊应用场景，其安全事故可能会导致极其严重的后果。如2022 年10月韩国数据中心火灾，是造成网络服务中断4 天、金融交通运输严重受损、经济和社会活动瘫痪等的灾难性事件[9]。表1 为2021 年以来全球发生的部分锂离子电池储能安全事故简要情况。

表1 2021 年以来部分锂离子电池储能安全事故

以上事故发生的主要原因可以总结为以下两个。

一是内部电芯失效引发的热失控，最后引起ESS 着火或爆炸。电芯热失控引发的故障呈现的现象基本上是先起火再爆炸。这种现象产生的原因是单个电芯失效，引发内部化学反应，释放热量（放热反应），温度持续上升，且传播到附近的电池和模组，引发火灾甚至爆炸。电芯热失控之后会产生可燃气体，不能及时排出而引发爆炸。

二是外部辅助系统故障引发的ESS 故障。在2021 年9 月美国加州Moss Landing 1 期和2022年2 月的2 期事故中，由于当时在调试阶段，故障监控和电气故障安全装置被关闭，无法及时响应，产生了冒烟与火灾。而2021 年在澳大利亚吉朗发生的Victorian 电站火灾是由于冷却剂泄漏引起的电池短路，造成起火。Victorian 是当时世界上最大的储能项目，事故持续4 天，造成13 t 锂离子电池完全烧毁。

韩国是储能事故重灾区，2017 年至今已有超过50 起事故，其中LG 新能源产品超过30 起、三星SDI 产品超过10 起。根据此前韩国政府公布的多起储能电站火灾事故调查结果[10]，主要原因为4 个方面：电池系统缺陷；应对电气故障的保护系统不够；储能电站建成后运维管理不足；储能系统（BMS、EMS、PCS）集成控制综合管理体系不完善。

这些事故还有一些显著的共同点，大部分选用的是三元锂电池技术，事故发生时段主要在设备调试阶段和充放电后的休止中。三元锂电池中含有镍，在增加电池能量密度的同时也会降低电池内部的稳定性和热失控温度，增加安全风险。在多次事故后，特斯拉将其Megapack 储能系统中的一部分电池改为磷酸铁锂电池，以降低生产成本，提高安全性。但是这并不意味着磷酸铁锂电池绝对安全，如2021 年造成3 死1 伤及巨额财产损失的北京丰台储能电站事故，使用的就是磷酸铁锂电池。储能火灾事故不仅发生在电站运行期间，在锂离子电池运输、存放和调试期间也有事故发生。实际上，储能系统发生事故很多时候不是电池的问题，而是配套电气设备的问题，但是最终可能会引发电池的热失控，造成失火或者爆炸。

此外，储能系统火灾往往会出现复燃，较一般火灾控制难度大。在上述北京丰台储能电站火灾事故中，先是电池柜起火冒烟，但是明火被扑灭后不断复燃，并不时出现爆燃，直到发生爆炸，造成人员伤亡。从发现起火到明火彻底被扑灭耗时近12 h。究其原因，锂离子电池作为一个能量体，火灾时会引发外短路，而外短路又会促进电池的热失控，形成循环直至能量耗尽，导致储能系统火灾控制难度较一般火灾大。

综合国内外锂离子电池储能电站的火灾案例，我国分析总结了5 个可能引发爆炸的诱因，分别是电池、电气、标准不统一、人为操作不规范和外部环境，这5 个诱因构成了全球锂离子电池储能项目火灾的主要危险源。2022 年4 月，国家能源局下发关于加强电化学储能电站安全管理的通知，要求在规划设计、设备选型、施工验收、并网验收、运行维护和应急消防方面重视和加强电化学储能电站安全管理。

储能安全是一个系统工程，从设备层面分析，电芯、逆变器、温控、消防系统均关乎运行安全；从储能全生命周期分析，设计、制造、运输、安装、调试、运维等任一环节出现问题都会给电站安全埋下隐患；从电池的生命周期分析，材料老化与性能衰减不可避免，出厂设计再完美的电池也经不起时间的侵蚀。绝对安全的锂离子电池是不存在的，只存在通过优化设计实现的相对安全，但“相对安全” 远不能满足储能电站的安全发展需求。要做到本质安全，必须从材料安全、系统安全、过程安全、消防安全等方面多管齐下。

3 国内储能安全相关标准

目前国内已经建立了超过200 项储能相关标准，标准层级包含国家、行业、地方和团体标准。从生产流程上划分，标准体系涵盖基础通用、规划设计、施工验收、运行维护、设备及试验、电网接入、安全环保、技术管理等专业技术领域[11-13]。表2 列出了储能安全相关的现行及即将实施的标准。

表2 国内储能安全相关标准

中国电力企业联合会作为归口单位，牵头制订了大量储能相关国家标准。早期的GB 51048—2014 标准将储能电站视作建筑。但显然，储能火灾与普通建筑火灾的危害等级、防治措施完全不同。《“十四五”国家安全生产规划》强调要严密防控电化学储能电站等新技术新产业新业态安全风险。同时，电池性能指标的模糊化、规划设计的简单化、消防设施的形式化成为当前电池储能电站整体质量和安全的主要隐患。

GB/T 36276—2018 对于电力储能用锂离子电池的评价，是以功率-能量参数体系为基准，摒弃了传统动力电池的电流-容量参数体系。其次强化了对电池单体和电池模组热特性的检测及评价，尤其是创新性提出了安全运行的安全底线。从电池设计角度就加强了电力储能用锂离子电池安全性要求，提升了安全性等级，能够从根源上缓解或消除安全隐患。GB/T 34131—2023 对电化学储能电站用锂离子电池管理系统（BMS）进行了技术规范。BMS 是实现储能电池可视化和可控化的核心设备，对实现储能系统的安全高效运行起关键作用。最新的2023 版明确提出BMS 应具备电池单体电压采集、均衡等功能；将BMS 的运行环境温度由0 ℃~45 ℃修订为-20 ℃～65 ℃；能量状态（SOE）最大允许误差由8%修订为5%；对BMS 进行到货抽检等。

储能电站的施工及验收是电化学储能电站安全启动和长久稳定运行的重要保障，在施工及验收阶段出现的设备故障、操作不当都可能引发安全事故，例如韩国的储能电站火灾事故中有2例是在施工阶段发生的。随着电化学储能电站走向成熟，2022 年开始一批相关的国家标准相继制订出台。GB/T 42288—2022 已于2023 年7 月1日起正式实施，涵盖了储能电站本质安全、运行安全、检修试验安全各个方面。储能消防理论上从建议性配置走向强制性配置。随着GB/T 42312—2023 等电化学储能电站系列标准的出台，安全预案编制、危险源辨识预警、电站检修、应急演练、系统联动、精准消防和防止复燃构成安全系统新要求。

当前预制舱（集装箱）式磷酸铁锂电池储能已成为电化学储能电站主要的装机形式。集装箱式储能电站是一种建设周期短、模块化程度高、便于运输和安装、环境适应能力强的储能设备，每个集装箱内部装有电池组、电池管理系统、逆变器、冷却设备、配电系统、控制系统等电力元器件。这种形式的储能方案存在电池寿命受限、温度控制不易、安全风险较高等缺陷。针对这一实际情况，团体标准和地方标准中有多项预制舱式储能相关的监控及消防标准。其中，有4 项全氟己酮相关推荐性标准。全氟己酮与七氟丙烷都是主流的全氟化合物灭火剂，在储能灭火效果上总体差别不大；七氟丙烷灭火机理主要是化学抑制，性价比高、标准完善（GB 25972—2010 等）、技术成熟；全氟己酮主要依靠化学抑制和降温达到灭火的效果，更为绿色环保，但国内目前只有无管网灭火装置，没有国家强制性规范。

4 国际与国外储能安全标准

国际上，储能系统的安全标准主要有IEC（国际电工委员会）标准和UL（美国保险商实验室）标准。目前国际上具有影响力的锂离子电池储能系统安全测试标准包括IEC 62619:2022 和UL1973:2022。

欧洲和日本主要参考IEC 标准制定相应的安全标准，如欧洲的EN 62619:2022 和日本的JISC 8715—28:2019，都是根据IEC 62619:2022 修订编制的；中国对应的标准是GB/T 36276。IEC 62619:2022 是IEC 标准体系中专门针对工业设备用电池（二次锂电芯和锂电池组）制定的安全标准，属自愿性认证。IEC 63056:2020 是IEC 62619:2022 附加安全标准，规定了最高直流电压为1500 V 的电力储能用二次锂电池和电池组的附加或特殊安全要求和测试。IEC 62933:2022 是并网电化学储能系统的系列标准，适用于电化学储能系统的全生命周期（从设计到退役）。其中IEC 62933-5-2:2022 主要描述了并网电化学储能系统对人的安全方面考虑，以及使用时对周围环境及生物的安全方面考虑。功能安全是一种主动形式的安全，IEC 61508:2010 标准是功能安全领域中最基础的标准，引入了安全完整性等级的概念，其目的是通过确保电气电子系统的功能安全性，减少由这些系统可能造成的危害和风险。为了保证这种功能安全性，BMS 必须通过IEC 61508:2010 进行认证。相关法规与标准见表3。

表3 国际与国外储能安全相关法规与标准

UL 储能安全标准具有覆盖面广、针对性强、适用性强的特点，是目前较为成熟的产品安全标准。UL 1973:2022 作为美国-加拿大联合国家标准，在储能领域有着非常高的认可度。UL 1973:2022 涵盖用于光伏、风能存储或不间断电源（UPS）等固定应用中储能的电池系统，以及用于轻型电动轨道和固定铁路应用（如铁路变电站）的电池系统，并且与IEC 62619:2022 类似，涵盖通用安全要求。2022 年第3 版全面升级对储能电池的安全要求，新增了EMC（电磁抗扰度试验）要求、金属-空气电池和钠离子电池等新产品测试评估方法。

UL 9540:2023 是针对3 种储能技术（电化学储能、机械储能和热能储能）的储能系统安全标准，涵盖充放电系统、控制和保护系统、电源转换系统、通信、冷却和热管理系统、消防系统、燃料或液体管道、容器、系统安装等，包括储能系统的离网运行和并网运行。2023 年最新版在储能安全方面修订了储能系统容量限制，同时新增了防爆泄爆保护要求、热能存储系统的结构和测试要求；针对液冷储能系统，要求应配备泄漏检测来防止潜在的危险情况。UL 9540A:2019 是业内公认最严苛的储能电池和系统测试方法，主要用于评估电池储能系统的热失控特性，通过测试数据选择合适的防火防爆机制。

美国消防协会制订的NFPA 855:2023 是一种储能系统的安装安全标准，于2022 年9 月1 日批准成为美国国家标准。针对国际上发生的储能火灾事故，2023 版增加和修订了对火灾探测和灭火、爆炸控制、排气通风、气体探测和热失控的要求，对火灾和爆炸试验（正式的大规模火灾试验）要求进行了说明，并专门添加了附件G（锂离子电池储能系统的控制和安全指南）。

UN 38.3:2019(Rev.7)是指联合国针对危险品运输专门制定的《联合国危险物品运输试验和标准手册》的第3 部分38.3 款，即要求锂电池运输前，必须要通过高度模拟、高低温循环、振动试验、冲击试验、55 ℃外短路、撞击试验、过充电试验、强制放电试验，才能保证锂电池运输安全。世界上大多数国家采用这个标准。

不同的标准有各自的侧重点和特色，如UL 1973:2022 主要测试储能系统的耐受滥用能力；UL 9540A:2019 涉及电芯、模块、单元及安装4层级测试，并强调了单个电池储能系统单元火灾缓解方法；NFPA 855:2023 对于储能系统单元间以及与墙壁的安全距离进行了规定，并对电池退役及退役电池的回收储存等提出消防要求；AS/NZS 5139:2019 要求将电池系统安置在房屋和车库以外的地方，在混凝土做成的专用“箱体”中。

5 对策与建议

5.1 产学研用协同

储能产业的爆发式发展超出预期，电化学储能从学术界到产业化的过程甚至有些脱节；实验室级电化学储能的制造和测试，与标准的工业化制造与测试之间有很大差别。这在一定程度上导致学术研究和电化学储能技术商业化应用之间存在明显差距，尤其是在高度安全、低成本、新材料和电池管理技术等方面。特别是对电池热失控机理的研究仍存在盲点，虽然目前对单体电池、电池模组火灾特性的研究比较详尽，但是在电池簇（由电池模组进一步组成）的火灾特性以及火蔓延特性方面几乎还没有涉及；对储能电站的预制舱内热失控气体产生以后运行规律和热失控预警模型的研究也不透彻[14]。这就意味着对热失控特征不敏感甚至滞后，监控报警不及时不精准，导致电池在热失控后的安全事故不可避免[15]。必须加强电池全生命周期管理和新型储能安全应急相关技术研究。此外，要加强对钠离子电池、液流电池、镍铁电池等安全性高的电化学技术的研究与产业化力度。储能的核心是实现能量在时间和空间上的移动。随着长时储能需求成为主流，被称为储能时间最长、最安全的电化学储能技术之一的铁铬液流电池有着巨大的发展空间。

5.2 全方位安全防范

发展电化学储能是大势所趋，必须从“源头-预警-扑灭”多维度入手加大安全技术研究力度，在电池本体安全、主动安全防护和被动安全消防等方面做好全方位安全防范。在电池本质安全技术方面，研发化学性能和高安全性兼备的难燃和不燃电解液，以及安全性较高的正极材料和隔膜等。提高电池的一致性，选用安全高效的热管理系统，抑制电池的温升。在电池过程安全方面，电池管理系统（BMS）应该发挥重要作用，其响应速度、数据处理能力、均衡管理能力应达到更高的要求。要研发适用于电池使用全过程的故障诊断技术，以及基于多参数融合的热失控多级预警技术。消防安全方面，必须同时考虑电气设备和电池系统的双重安全，才能有效保障储能系统的安全性。首先是做好冷却、通风等事故防范措施。冷却系统解决方案从风冷、液冷到浸没式冷却，散热效率越来越高，将储能的安全性提升到新高度。通风系统应该能限制可燃气体在最低爆炸极限的25%以下。储能电站应该配备火灾报警系统、气体灭火系统和二次喷淋冷却系统。尽管七氟丙烷、全氟己酮等灭火剂效果显著，但都无法从根本上中断电池内部连锁分解反应。从灭火实践来看，对于储能电站的火灾，终极手段仍是大水漫灌。

5.3 加强标准研究

储能产业的健康有序发展离不开标准化工作的支撑。新型储能标准研究是一项长期性、系统性工作，并应综合考虑储能产业发展现状、市场应用需求、技术研究水平等多方面因素不断向前推进。虽然标准出台不少，但不同层级标准之间可能交叉重复、缺乏兼容甚至存在矛盾。另外，当前储能标准尤其是安全相关的强制标准过少，难以有效保障人体健康和人身、财产安全。作为新兴产业，储能标准普遍存在重制订轻应用、重数量轻质量的现象。储能的快速发展要求既有标准应加快修订完善实现与时俱进，同时做好标准的宣贯实施和监督检查。

6 结语

储能技术的应用解决了新能源电站“弃风弃光”的资源浪费问题，同时也可以为电网、发电企业提供调频、调峰、黑启动等诸多服务。以电池储能为主的新型储能是保障新型电力系统安全稳定运行的重要技术和基础装备，也是实现“双碳”目标、推动能耗双控（能源消耗总量和强度双控）逐步转向碳排放双控（碳排放总量和强度双控）的重要支撑。储能市场快速增长，很多资本和企业跨界进入，可能导致储能产品良莠不齐，造成安全隐患，威胁人民群众生命财产安全。确保储能安全首先要树立系统安全观，不管在设备层面，还是在全生命周期管理上，都需要确保每个环节安全，不留隐患。需要加强产学研用协同发展、深度融合，做好基础研究、规范设计、工程应用、标准研制、全生命周期管理等，确保电化学储能健康有序安全发展。