電池安全助力電動汽車與儲能電站安全運行

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編者按：我國電動汽車市場正在不斷擴大，然而，大眾對于電池汽車電池安全問題的擔憂依然普遍存在。如何理解電池安全？如何保障電池安全？本期我們邀請清華大學車輛與運載學院馮旭寧老師為我們講解《電池安全助力電動汽車與儲能電站安全運行》。

2021年，我國電動汽車銷量已超過300萬輛，儲能電站裝機量超過5GWh，且總量仍在高速增長。兩類產品的高速發展均受益于我國的能源低碳化鼓勵政策，得益于儲能用鋰離子電池成本的持續下降。然而，2021年發生電動汽車火災3000余起，“4·16”大紅門儲能電站事故造成較大的經濟損失，引發了對電池安全問題的社會性關注。

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為什么大眾對儲能電站事故投以極高的關注？

新興技術和產品受到的公眾關注度高，對安全事故的容忍度一般較低。“4·16”儲能電站事故發生后，北京市全面停止了儲能電站的建設和使用。國內已公開報道的儲能電站事故數量尚不足兩位數，就已經對行業發展造成了影響。相比之下，年均3000余起的電動汽車火災，反而對汽車行業影響不大。

五年前，三元鋰離子電池剛開始裝備電動汽車時，少量的起火事故引發了行業大討論，至今電動客車上仍然禁止使用三元鋰離子電池。目前，我國儲能電站設計延續了電動客車對三元鋰離子電池的禁用要求，大多采用磷酸鐵鋰電池進行建設。

從安全科學的角度而言，安全意味著發生事故的概率是社會大眾可以接受的。傳統燃油車的自燃概率大約是萬分之一點五，而電動汽車僅是傳統燃油車的五分之一。對于儲能電站而言，其安全建設目標也應在萬分之一以內。

我們做個簡單的計算：一輛電動汽車的車載電池約有一百度電，對應一百節量級的電池；而一個儲能電站的電池可能有一萬度電，對應一萬節量級的電池。如果儲能電站簡單地采用了車用電池，在每節電池自燃概率相同的條件下，就會算出當前的車用電池技術無法保證儲能電站的事故概率也能控制在萬分之一以下。儲能電站應遵循更嚴格的電池安全設計標準。

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制定嚴格的產品技術標準，是降低事故概率最重要的措施。作為世貿組織成員國，中國標準與相應的國際標準保持一致。我國電動汽車銷量世界第一，在國際標準體系建設過程中，具有相當的話語權。經過十余年的國際協作，車用電池的安全標準體系已經初步建立，尤其是中國主導的電池系統安全標準，為人員逃生留出了足夠的時間，為降低電動汽車事故中的人員傷亡比例做出了重要貢獻。相應地，儲能電站的安全標準體系仍在建設當中，我國的國家標準、行業標準、團體標準均已進入論證階段，將從明年開始發揮重要作用。

了解電池安全事故發生的原理，方能開發對癥下藥的安全技術。鋰離子電池的能量密度較高，其正極多采用電壓較高的過渡金屬氧化物材料，負極則采用電壓較低、還原性較強的含鋰材料。氧化物和還原劑在有限的空間內堆放，就有條件發生劇烈的氧化還原反應，并放出大量的熱量，該現象稱為電池的“熱失控”。

電池熱失控除將電池溫度快速升高外，還產生大量的可燃煙氣。可燃煙氣從電池內部泄放出來，在電池外部遇到足夠的空氣，滿足引燃條件后，進一步發生燃燒甚至爆炸。“熱失控+燃燒”這一雙核失效機制，為電池安全防護技術提出了挑戰。

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過十余年攻關，我國已經研發出系統性的電池安全防護技術，包括：本質安全技術，主動安全技術，被動安全技術。

電池的本質安全技術，即電池本身具有較好的化學穩定性，不易發生熱失控，且熱失控后造成的危害較小。一般地，希望電池內部熱化學反應的起始溫度高一些，熱失控的觸發溫度也高一些，電池熱失控達到的最高溫度低一些。比如三元鋰離子電池的熱失控最高溫度可達1000℃，磷酸鐵鋰電池的熱失控最高溫度也就600℃，因此傾向于認為磷酸鐵鋰電池的安全性更好一些。鋰離子電池普遍采用的液態有機電解質（簡稱“電解液”）為電池燃燒提供了燃料來源，從這點意義上來說，一節250Ah的磷酸鐵鋰儲能電池含有約1kg的電解液，其燃燒危害也不容小覷。

為從本質上降低鋰離子電池的燃燒危害，科學家們正在開發采用固態電解質的鋰離子電池（簡稱“固態電池”）。不過，前提是固態電池的能量密度、壽命、成本等綜合指標都能與液態電池競爭。目前，主要通過阻燃添加劑、高耐熱性隔膜等方式，調控正負極之間的氧化還原反應。在電池能夠通過安全標準方面，這些低成本的方案起到了良好的效果。

電池的主動安全技術，即主動監測電池安全狀態，控制電池在正常工作范圍內運行，出現異常及時預警或報警，并開展主動安全處置。電動汽車和儲能電站都應具有安全監控系統，系統內運行有電池安全預警與報警算法。電池失效時通常伴隨有劇烈的聲、光、熱等現象，事故報警相對容易。而基于電池運行數據對事故進行預警的難度相對較大。

電池安全預警算法一般糾結于檢出率和誤報率兩個指標，高檢出率一般意味著高誤報率。誤報率高的算法經常引起監控人員不堪其擾而關閉預警系統的事件，進而導致重大安全事故。出現這類問題主要是因為傳感器采集的信號特征與電池內部失效狀態并非一一對應，需要基于模型進行尋優估計。還可以引入具有學習功能的人工智能技術，提升算法的檢出率。

合理地設定模型參數和預警閾值，取決于工程師對電池失效機理的認識水平，也是儲能電池產品的核心競爭力之一。定期使用專用設備以及標準化運維流程開展儲能電池系統的健康體檢，對于及時檢出故障也是有必要的。發生預警事件之后，可以基于監控平臺聯動消防等機制進行處理，用戶知情后可以考慮是否更換故障電池。國家標準中要求電動汽車具有預警和報警功能，并且按特定的格式上傳數據到監管平臺。儲能電站相關的國家級數據監管平臺正在建設當中。

電池的被動安全技術，即在事故發生后設置防護機制，使得單節電池的問題得到限制，不會擴散到相鄰電池。保障人的生命和健康是安全設計的底線，被動安全技術的首要設計思路即——假定會有電池發生問題，在問題發生后，設置相應的機制延緩電池失效的擴散速度，降低次生災害，保障人員及時逃生。

車用電池系統和儲能電站的電池簇中，電池堆疊密度都比較高。車用電池系統以平面堆疊方式為主，抑制失效擴散主要通過設置隔熱層實現。儲能電站的電池簇以立體式堆疊為主，抑制失效擴散還需要考慮高度方向的熱阻隔。熱阻隔需要配合散熱降溫才能取得理想的效果，導流降溫有助于減少熱量在電池系統內的聚集。對隔熱層復合相變材料增加吸熱功能，可以取得更好的擴散抑制效果。

除熱阻隔之外，電池失效引發的結構移位以及導電煙氣的擴散都可能造成高壓電氣系統短路拉弧。電弧溫度可達數千攝氏度，將進一步破壞既定的防護結構，是一個需要特殊考慮的問題。為了應對電池系統起火的可能情況，消防系統設計時，需要同時考慮隔熱、降溫、煙氣導流、抑弧等電池系統失效特有的因素。

上述三大安全技術相結合的安全標準體系，使得鋰離子電池及其系統的運行更加穩定，支撐了電動汽車和儲能電站的安全運行。在我國邁向“2030碳達峰”、“2060碳中和”的征程中，電動汽車和儲能電站也必將扮演更加重要的角色。