网讯：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。 表12021—2022年全球储能事故
注：不包括户用储能事故。信息来源：CNESA全球储能数据库。
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”国家安全生产规划》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。 1 锂离子电池储能电站安全评价相关标准现状
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。 国际标准化领域，负责制定储能用锂离子电池分技术的委员会是IEC/TC21/SC21A(含碱性及其他非酸性电解质二次电池和电池组)，具体由其下设的WG 5(工业设备用锂离子电池)负责制定，目前已经制定了IEC 62619和IEC 63056两项储能用锂蓄电池标准。其中IEC 62619是工业设备用锂蓄电池的基础安全标准，也被称为“保护伞”标准，IEC 63056是根据电能存储系统的特点制定的对锂蓄电池/电池组系统的特殊要求和附加要求。在运输安全领域，UN(联合国危险货物运输委员会)制定了UN 38.3[9]，IEC将该标准转化成了IEC 62281。 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。2 锂离子电池储能安全评价相关理论研究
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集，逐步构建起储能故障数据集。 目前储能事故信息平台的建设尚处于起步阶段，国外EPRI(美国电力研究院)上线了事故wiki页面，对全球事故进行简单的汇总和统计。国内还没有公共权威的储能事故信息发布平台，亟需建立专业化的储能事故信息平台以促进事故信息及时准确发布，不断总结事故经验教训。 储能事故信息的数据来源涉及产业链各方以及监管部门，需要全产业链共同支持以及多方合作协调。信息平台在建设过程中需要结合市场需求，不断改进优化，保证信息的准确、及时更新。平台的建设不仅有利于信息资源的合作共享，储能安全水平的提升，也有利于政府监管。通过平台一系列科学的、系统的、结构化的分析模型工具，可以对收集到的事故、事故征候、其他不安全事件相关信息进行分析，提出相应的安全建议。 图1为事故信息平台架构提出了初步设计方案。平台将综合事故、项目、产品、企业、测试以及产品溯源、警情和事故调查等多渠道信息，通过数据集成并提供可视化分析，进一步挖掘分析储能事故/故障的发生条件、部位、表现形式、故障后果等特征规律，确定引发储能电池热失控的储能故障数据集，并为未来储能事故分析、故障识别等提供数据基础。 平台不仅可以对产品信息、项目信息、试验数据、事故信息等数据进行集成，亦将在储能系统设计、选型、安全评价甚至事故故障的预测等方面发挥越来越重要的作用，有效提升信息平台价值和公共服务能力，也为日后引入人工智能方法提供必不可少的数据基础。上述均有待于更细致和深入地研究，此外关键数据信息的脱敏、不同信息平台的对接也有待在建设过程中逐步完善。 锂离子电池热失控的本质是滥用条件触发电池内部的链式副反应，放出热量进一步提升电池内部的温度，并成功触发更高温度区间的副反应，形成“热量-温度-反应”闭环回路，该回路在高温度条件下循环直至发生热失控。以储能用锂离子电池为例，其热失控机理可以总结为：在滥用条件下电池温度异常升高，首先触发电池内部负极表面的保护层(SEI膜)的分解，电解液的还原/氧化反应，电池内部温度逐渐升高。在150～160 ℃，隔膜开始收缩和熔化；然后发生内部短路，内部电解液蒸气压增大，副反应产气导致安全阀打开。随着电池温度的升高，发生链式放热反应，负极的活性锂会与电解液反应并产生巨大的热量，触发磷酸锂正极释放氧气并与电解液发生反应释放热量。电极中剩余的锂与黏合剂在更高的温度下反应，进一步提高电池温度直至发生热失控。上述链式反应的反应顺序和反应温度区间因电池材料体系和热失控触发方式等因素的变化而呈现一定的差异性，但本质上是上述链式反应相互交替、叠加所导致。
在储能电池系统中，单节电池发生热失控释放大量的热量，并通过对流、辐射、传导等形式将热传递到相邻电池，当触发电池周围的邻近电池温度达到热失控触发温度时，即诱发热失控蔓延。Feng等人通过对6节25 Ah方形硬壳三元电池模组开展针刺触发下的热失控传播实验，揭示了热失控蔓延机制，即在热失控蔓延过程中，高温热失控电池通过正面壳体接触而向邻近电池侧向剧烈传热，导致被加热电池内部沿厚度方向产生巨大温度梯度，当被加热电池前端面温度达到热失控触发温度时，即发生热失控蔓延。而对于储能用磷酸铁锂电池而言，其热失控蔓延机制类似，Song等人分析了280 Ah磷酸铁锂电池模组热失控蔓延过程中的热流路径。他们发现通过壳体接触面传递的用于触发热失控蔓延的热量仅占单体电池热失控总产热的5%～7%，而超过75%的能量用于电池自产热。此外，也有一些学者通过实验和数值方式分析了储能用电池模组在不同电连接方式，不同触发方式，不同荷电状态，不同间距，不同环境压力、不同电极体系、不同环境氛围等因素下的热失控蔓延特性。具体可以归纳为：相比于无连接和串联模组，并联模组呈现最高的热失控传播危害性；增大电池间距和降低荷电状态均会有效延缓热失控蔓延行为的发生；过充、针刺、加热触发方式对模组前三节电池热失控蔓延行为产生影响，对后几节电池的影响不大；电池体系对模组热失控传播的影响较大，三元电池相较于磷酸铁锂电池更容易发生热失控，并且在热失控蔓延的过程 中会出现大量的射流火，而磷酸铁锂电池发生热失控蔓延的难度较大，且在热失控过程中未见到射流火等明火行为；随着环境压力的降低，锂离子电池热失控蔓延的速率会降低，同时热失控蔓延过程中燃烧燃爆导致的传热量也会降低；此外，空气氛围下的模组热失控传播速度比氮气氛围下的模组热失控传播速度更快。当某一模组完全失控并起火时，即使模组之间有空气域存在，模组间的热失控蔓延也会发生；导致这一现象的主要原因是模组全部热失控产生的射流火面积和放热量的增加加速了模组间的固体传热量，进而导致模组间的热失控蔓延行为。针对锂离子电池包，当电池包内任一模组内单体触发热失控时，整个系统在无防护的作用下都会发生热失控蔓延，热失控蔓延会呈现倒叙蔓延、顺序蔓延等多种蔓延现象，电池包的蔓延行为则呈现出更加复杂的规律。尽管国内外学者对电池模组热失控蔓延开展了大量的研究，然而这些研究工况与储能电站实际场景存在一定出入。对于真实储能电站场景下的热失控蔓延且出现燃烧行为，其火灾场景属于顶棚射流火焰范畴，火焰对模组中毗邻电池的辐射传热加剧，进而加快模组热失控蔓延，因此，揭示火焰对电池模组热失控蔓延的影响机制，对于储能电站的消防安全设计具有重要指导意义。 
综上所述，对于锂离子电池热失控机理，前人大多研究不同滥用条件、材料体系等因素下电池热失控演化机制和差异，对于储能故障导致电池热失控的全链条演化过程及机制缺乏系统认知，不同故障类型导致的电池滥用形式及热安全边界尚未明确。未来将重点开展诱导电池热失控故障类型及模式识别分析，确定诱导不同材料体系电池热失控的临界故障条件及热安全边界阈值，明确多因素动态耦合激励下电池热失控行为及其能量流动分布特征，揭示不同储能故障作用下电池系统热安全边界演化规律及热失控致灾机制，对于规模化储能系统安全应用具有重要科学意义。 对于锂离子电池模组热失控蔓延问题，以往研究对热失控传播机制的解释大多停留在热失控电池对邻近电池外部传热的维度，忽略了电池自产热贡献，因此，量化模组热失控蔓延过程中的电池自产热贡献是储能电池模组热失控蔓延问题研究的重点。同时，目前的研究大多在敞开环境下开展，而在实际储能电站场景下，电池模组层层堆叠于电池支架上，一旦发生热失控故障，同时在满足点火源条件下，热失控过程喷射的可燃气体被点燃诱发剧烈燃烧，喷射火焰对同层电池模组剧烈传热，同时也炙烤上层支架电池模组，其热失控蔓延方向可能涉及水平和竖直方向两个维度。因此，开展储能预制舱内电池模组竖直和水平热失控蔓延特性研究及火焰辐射传热对热失控蔓延影响机制的研究是未来储能用电池模组热失控蔓延研究的重点，可为储能电站的消防安全设计提供更多的理论基础和技术指导。3 锂离子电池储能系统安全评价的数值模拟技术
锂离子电池储能系统的安全评价依赖于各种特征参量及指标，数值模拟技术由于能够解析电池、模组、系统内部的能量流动特征及演化机制，在储能系统安全评价方面具有显著优势。目前，锂离子电池热动力学建模已成为领域研究重点，大量学者针对锂离子电池单体、模组和预制舱/电站三个层面的热失控行为进行了数值模拟研究。
