电池发生燃烧爆炸的原因 储能电池三要素介绍

近日，中科院院士欧阳明高公开表示：“一般认为磷酸铁锂电池是比较安全的。本质上对于小的磷酸磷酸铁锂电池的确如此，但大容量电池，像320Ah的电池，其内部温度可以超过800度，这超过了磷酸铁锂正极分解的温度。”

容量越大，热失控风险越高

磷酸铁锂小容量电池和大容量电池安全性的区别主要在于：电池内部温度是否超过正极材料分解温度。磷酸铁锂电池正极材料一般500℃才可能出现分解现象，磷酸铁锂正极材料小容量磷酸铁锂电池内部温度一般是300-400℃，大容量磷酸铁锂电池内部温度可超过800℃。

这也是为什么大容量磷酸铁锂电池热失控风险更高的原因。

爆燃指数是三元电池的两倍

对比磷酸铁锂电池和三元电池，磷酸铁锂电池的燃爆指数是三元电池的两倍。三元电池是自己容易热失控，自己把自己点着，磷酸铁锂电池则不然，自己点不着，可气体爆炸风险更高，遇到明火更危险。三元电池，内部温度约200℃时，正极材料会分解并释放氧气，在高温下电解液迅速燃烧，燃烧更剧烈。大容量磷酸铁锂电池，内部温度超过500℃后，正极材料开始分解，电池发生热失控，产生大量可燃电解液蒸汽（含氢气等，不含氧气），随着SOC增加，氢气浓度增加，可达50%以上（氢气的爆炸极限是4.0％～75.6％），爆炸风险更高，但燃烧剧烈程度较三元电池更低。

大容量趋势，安全难保障

近日，在CIBF深圳国际电池技术展会中，多家储能电池头部企业展示了300Ah及以上容量的储能型磷酸铁锂电芯产品，电芯容量提升已成为行业发展趋势。媒体统计了其中16家企业的大容量储能型磷酸铁锂电芯产品，并进行了容量排名。雄韬股份的储能电芯产品以580Ah的容量排名，紧跟其后的是亿纬锂能的560Ah储能电芯产品，第三则是海基新能源的375Ah电芯产品。

开发出300Ah及以上容量的储能电芯产品的企业还有：蜂巢能源（325Ah）、瑞浦兰钧（320Ah）、楚能新能源（306Ah/315Ah）、双登集团（315Ah）、远景动力（305Ah/315Ah）、赣锋锂电（314Ah）、兰钧新能源（314Ah）、欣旺达（314Ah）、海辰储能（300Ah/320Ah）、远东电池（305Ah）、昆宇电源（305Ah）、南都电源（305Ah）和国轩高科（300Ah）等。储能型大容量电芯成发展趋势，如何保障电池安全是所有储能电池企业必须面对的难题。

全固态电池是未来

储能关注三个要素：长寿命、低成本、高安全。对于以磷酸铁锂为代表的电化学储能来说，长寿命相对容易实现，低成本随着行业规模提升终将得到解决，贯穿始终的将是安全性问题。为了提升储能安全，市场给出的解决方案之一是开发不同的储能技术。例如，从本征角度出发，研发固态电池或者水系电池，实现电池安全到安全电池的发展。欧阳明高院士表示，他们认为本征安全的最终目标是全固态电池。全固态电池的优点主要有两个：其一，固态电解质替代液体电解质和隔膜，固态电解质燃点非常高，不存在漏液现象，可显著提升电池安全性；其二，全固态电池能量密度更高，可达400Wh/kg，锂硫/锂空电池有望实现500Wh/Kg。但是，现阶段全固态电池工艺并不成熟，仍处于研发阶段，存在离子电导率低、循环寿命差、倍率性能差、成本高昂等问题，制约了商业化进程。根据EVTank的预测，至2030年全球固态电池渗透率为10%，需求达到276.8GWh。2023-2030年，全球固态电池需求增长的CAGR为63.7%。  

北京市应急管理局近日正式公布“4.16集美储能电站火灾事故”的调查报告。调查报告显示，起火直接原因系电池间内的磷酸铁锂电池发生内短路故障，引发电池热失控起火，事故产生的易燃易爆组分通过电缆沟扩散，与空气混合形成爆炸性气体，遇电气火花发生爆炸。调查历时半年之久，对事故的来龙去脉进行了科学严谨的分析并得出结论，对行业的健康持续发展具有深刻的借鉴和指导意义。事故发生后，多个执行中的项目也因此放缓脚步，已投运的多个项目也暂时被停运，消防安全成为行业刻不容缓、不容回避的问题。       随着双碳目标的推进，磷酸铁锂电池为主的电化学储能电站装机容量呈现“倍增式”增长态势，但由于磷酸铁锂电池热失控着火后难以抑制其复燃的特点，消防安全成为行业内的最大难点之一，同时相关的规程规范也较为缺失，储能电站的安全运行压力和安全隐患明显增加，安全问题始终是悬在行业头顶的“达摩克利斯之剑”。安全问题引发行业包括国家层面的广泛关注，为此，国家发展改革委、国家能源局起草了《电化学储能电站安全管理暂行办法》，从项目准入、质量管控、施工验收、应急处置等方面规范储能电站的安全管理工作，提出了包括建立健全储能电站备案制度、委托具有专业储能检测资质的机构对安全相关的核心部件或单元开展到货抽检、投运前应通过消防验收等要求。

电池发生燃烧爆炸的根源在于电池热失控，诱发电池热失控的原因主要有两类：一类是电池内部原因，比如电池制造过程中引入的电芯内缺陷，或者电池在长期使用过程中由于充放电制度和环境因素使电池老化，电芯内部产生了枝晶锂，或者是电池管理系统策略不当，触发了电池内短路。另一类是电池外部原因，电池外部的电、热冲击，作用到电池本体上都会使电池内部出现不可逆的放热反应。如果在电池储能系统集成过程中，没有严格按照相关标准对储能电池提出门槛性的安全性能要求，出现电池选型不当，电池的基本安全质量都无法确认和保障。 磷酸铁锂电池发生热失控后，会产生氢气、一氧化碳、甲烷等可燃气体，当达到一定浓度后，与空气中的氧气结合，在达到一定的温度时就会触发火灾甚至爆炸。为此，储能电站需制定严格的消防措施，例如配置可燃气体探测器、采用更有效的消防介质，制定更完善的消防联动措施。 出于消防安全考虑，储能设备以户外预制舱布置为主，“预防为主，防消结合”是储能电站的核心安全理念。

编辑：黄飞