锂离子电池储能站的火灾和爆炸风险：分析和预防策略

随着锂离子电池在电化学储能电站的广泛应用，火灾和爆炸事故也日益频繁。为了更深入地探究这些事故的根本原因，一项研究分析了2017年11月至2024年9月期间全球发生的90起涉及锂离子电池储能电站的火灾和爆炸事件。

分析重点关注四个关键方面：电池类型、事故发生国家/地区、电站运行状态和事故成因。结果表明，三元锂电池更容易引发火灾和爆炸事故，其发生率是磷酸铁锂电池的2.5倍。

这些发现向储能行业传达了一个明确的信息：随着锂离子电池的不断广泛应用，优先考虑以安全为中心的设计和材料选择变得至关重要。

在此背景下，固态电池展现出巨大的发展潜力。其固有的更高热稳定性以及更低的泄漏或燃烧风险，使其尤其适用于大规模储能应用。

选择本质更安全的电池技术是确保储能电站全生命周期安全运行的基石。这正是Super Power所有产品设计和技术创新的出发点。

事故统计结果及原因分析

对事故的统计分析表明，火灾和爆炸有时会先后发生。因此，本研究将事故后果分为三类：火灾事故、爆炸事故和火灾爆炸事故，如图1所示。

图1 事故中电池类型分布

在已知电池类型的 85 起储能站事故中，有 61 起是由三元锂电池引起的，约占 71.8%。

三元锂电池的热稳定性较低，更容易发生热失控。它们也存在更高的火灾风险，热失控蔓延速度更快，并且在发生热失控时会释放出更多的可燃气体。

综合来看，这些因素表明，就热稳定性、火灾危险性和爆炸可能性而言，三元锂电池比磷酸铁锂电池的风险要高得多。

与报告中讨论的高风险液态电解质三元电池不同，Super Power的核心产品采用固态技术。通过使用固态聚合物电解质，该公司从根本上消除了传统液态体系的易燃性隐患。因此，这些电池本身就具有阻燃性。

研究表明，阴极材料的热稳定性对整体安全性起着决定性作用。在Super Power的设计中，阴极材料与固态电解质协同工作，形成更宽广的热安全窗口。这种协同作用显著提高了热失控阈值，并增强了系统在极端条件下的稳定性。

● 国家统计数据和原因分析

图2 按国家/地区划分的事件分布分析

统计分析表明，韩国、美国、中国、澳大利亚、法国、德国、比利时、瑞典、英国和新加坡都曾报告过电化学储能站发生火灾和爆炸事故。

对这些事故中所用电池类型的分析表明，美国超过一半的储能电站事故涉及三元锂电池。相比之下，中国和欧盟国家的大多数储能电站都配备了磷酸铁锂电池，这反映出不同地区在安全偏好和技术应用方面的差异。

在这些国家中，韩国的事故数量最多，共计34起，占所有事故的37.8%。调查报告指出，事故原因有多种，其中电池缺陷是主要因素之一，其他因素还包括电机保护系统不足、运行环境恶劣、安装疏忽以及储能设施管理不善。

另一个关键因素在于电池本身的安全性能。

在韩国，三元锂电池应用广泛，这主要是因为它们占据了国内主要电池制造商产品组合的主导地位。然而，这些电池的热稳定性相对较低，而且其管理系统也并非总是可靠。

电池管理或预警系统的缺陷可能导致操作人员无法及时发现异常情况，从而使潜在的危险不受控制地升级。

● 运行状态统计和原因分析

储能电站通常经历四个关键阶段：建设、调试、运行和维护。每个阶段都存在各自的风险。系统集成、施工质量、维护程序或安全管理方面的缺陷都可能造成不容忽视的潜在危险。

图 3 事故中 EESS 的状态统计

事故报告揭示了一个清晰的模式。在韩国，大多数电化学储能电站事故发生在充电过程中或充电后立即发生的闲置阶段。这表明，不当的充电控制和热管理可能是造成事故的重要原因。

数据显示，事故总数为72起，占所有记录事故的80.0%，且大部分发生在正常运行期间。如此高的比例表明，运行安全仍然是当前储能系统面临的最严峻挑战。

以下因素可能导致电化学储能电站运行过程中发生事故：

1. 长期运行的累积效应；

2. 高温环境的影响；

3. 系统负荷波动；

4. 预警系统可靠性不足；

5. 高荷电状态 (SOC) 导致过充电。

超级大国的储能系统是围绕一套全面的主动防御架构构建的。

● 三层电池管理系统 (BMS) 设计可对每个电芯进行独立、实时的监控。实际上，这意味着安全监控真正做到了无盲区，能够更早、更精确地检测出诸如内部短路或电压突变等故障。

● 系统的液冷散热管理同样至关重要。“冷却系统故障”通常被列为最高风险因素，而Super Power正面应对了这一问题。精心调校的液冷网络可将电池温度维持在最佳范围内，即使在恶劣环境下也能确保稳定的散热。这可以防止热量积聚，并维持系统的整体稳定性。

● 过充是另一个潜在的危险。通过电池管理系统 (BMS) 和电源转换系统 (PCS) 的协同控制，电池的荷电状态 (SOC) 得到严格管理。这种设计从源头上阻止了过充，从而保护系统免受电池故障最常见诱因之一的影响。

Super Power 的 CTC（电池到容器）集成技术不仅提高了能量密度，还引入了前所未有的安全冗余水平。

● 模块化设计和物理隔离。CTC方案在实现更高电池集成度的同时，采用了创新的隔热材料。每个模块内部都形成了一个有效的隔热屏障。即使单个电池发生严重故障，系统也能有效阻断热量向相邻电池的传递，从而从物理上切断热传递链。

● 双重灭火系统。每个超级动力储能集装箱均配备气体灭火系统和水浸式灭火系统。气体灭火系统可迅速控制初期火势，而水浸式灭火系统则在极端情况下提供最终保障。两者协同作用，确保彻底扑灭任何残余风险，并在任何情况下都保障安全。

● 事故原因及促成因素分析

电化学储能站的安全问题本质上是系统性的，事故通常是由多种因素相互作用引起的。

图4 电化学电站事故原因统计图

设备相关因素主要源于电池本身，以及电机保护和冷却系统，包括绝缘问题。电池特有的问题通常包括制造缺陷或自然老化。环境因素也会产生影响。例如，水渗入或附近锅炉爆炸都可能引发锂离子电池起火。

图5 锂离子电池储能系统安全事故的诱发因素及其相互作用

然而，人为因素仍然是电化学储能电站事故的主要原因。在分析的90起事故中，有38起直接或间接与人为失误有关，占所有事故的43.3%。这表明，尽管采取了技术和环境方面的安全措施，操作人员的行为和管理实践对于整个系统的安全仍然至关重要。

1. 人为操作失误：电化学储能站的工作人员可能缺乏足够的培训，导致操作不当或忽视安全程序等错误。

2. 安全管理体系不完善：尽管各国不断完善储能电站运行各阶段的法规，但储能技术的快速发展往往超越了有效安全管理体系和监管的建立速度。这可能导致员工忽视安全隐患。

3. 应急响应延迟：发生紧急情况时，操作人员响应技能不足或行动不及时可能会加剧事故的严重性。

4. 安全意识不足：操作人员和管理人员的安全意识水平低下，可能导致忽视潜在风险，增加事故发生的可能性。

基于对电化学储能电站事故的统计分析，根据15个已识别的风险因素，评估了90起事故的概率和严重程度。采用定量和定性分析相结合的方法评估事故的概率和严重程度，并运用德尔菲法确定严重程度等级。

图 6 EESS 风险因素的风险等级

在 15 个风险因素中，有 5 个被确定为高风险：储能系统冷却系统故障、电池过充、消防设施不足、BMS/PCS/EMS 异常以及极端环境温度。

● 预防措施

为解决已确定的高风险因素，应在以下五个关键领域提高电化学储能站的整体安全性：

加强冷却系统的可靠性，优化电池系统措施以防止过充，改进预警和安全监控技术，推进消防技术，优化消防策略和战术。

此外，为加强储能系统的系统安全性，应重点关注电池单体的设计和制造。应完善安全管理体系，并实施强制性标准，以防止损坏的电池进入储能电站。应加大对超早期预警技术的研究力度，以便提前数周预测事故。应开发高效、冷却、防爆和绝缘的专用灭火剂，并开展电池组级火灾试验。

避免采用高风险电池技术，转向本质安全、系统可靠的解决方案，是储能行业可持续发展的唯一途径。Super Power 的产品理念与这一愿景完美契合，并提供经过全面验证的安全解决方案，涵盖从材料设计到系统集成、从智能预警到最终保护的各个层面。