胡振愷，雷 博，李勇琦，史尤杰，雷旗開，何智鵬

（1南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510630；2南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責任公司，廣東 廣州 510663）

近年來，能源緊缺和環(huán)境污染等問題日益凸顯。大力推進可再生能源發(fā)展，已成為轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)和改善環(huán)境的重要選擇，也是實現(xiàn)我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必由之路。但是風(fēng)電和光伏發(fā)電的間歇隨機性，會對電網(wǎng)造成沖擊，不利于其安全穩(wěn)定運行，同時制約了其自身的大規(guī)模應(yīng)用。發(fā)展高效、安全的儲能技術(shù)，是解決上述問題的最佳方案，是促進能源轉(zhuǎn)型變革的關(guān)鍵技術(shù)。當前，國家高度重視發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)，儲能技術(shù)作為關(guān)鍵支柱產(chǎn)業(yè)也得以蓬勃發(fā)展。鋰離子電池因能量密度高、壽命長和無污染等性能，成為大規(guī)模電力儲能的首選儲存載體之一[1]。截至2020年底，國內(nèi)已建的電化學(xué)儲能項目規(guī)模為3269.2 MW，其中鋰離子電池儲能占比88.8%，可達到2902.4 MW[2]。

鋰離子電池包含高能量密度的正負極、易燃的隔膜和電解液等材料，在不合理的使用情形下，易引發(fā)電池熱失控，電池內(nèi)部本體反應(yīng)和外部火焰燃燒在短時間產(chǎn)生大量熱量，伴隨冒煙、起火和爆炸等現(xiàn)象[3-5]。儲能電池系統(tǒng)往往是由成百上千節(jié)的單體電池按特定要求經(jīng)過電氣連接組成，容量可達到兆瓦時或者吉瓦時，一旦某節(jié)電池發(fā)生熱失控火災(zāi)，其內(nèi)部反應(yīng)和噴出物質(zhì)燃燒釋放的熱量，如擴散到相鄰的電池和可燃材料，將造成整個模組甚至儲能電站的起火爆炸[6]。近10年來，全球的鋰電儲能系統(tǒng)共發(fā)生了32 起主要火災(zāi)爆炸事故，其中我國發(fā)生3起儲能系統(tǒng)起火事件，如2021年4月，北京儲能電站火災(zāi)事故等[7]?？梢钥闯觯瑑δ苡娩囯x子電池相關(guān)安全標準有待進一步完善。鋰離子電池安全是一個綜合性問題，涉及電池材料、應(yīng)用場景和濫用方式等諸多因素，但先進完善的安全性、可靠性測試標準，可以評估儲能電池系統(tǒng)的安全性和可能發(fā)生的問題，從而確保儲能電站的安全運行。

綜上所述，儲能用鋰離子電池作為儲能電站的核心部件之一，其安全性是儲能電站穩(wěn)定運行的重中之重，因此研究高效合理的儲能用鋰離子電池安全性測試和評估方法也顯得尤為迫切?；诖?，本文通過對主要的儲能鋰離子電池安全測試標準對比研究，系統(tǒng)地分析和總結(jié)各具體熱失控試驗方法，指出國內(nèi)現(xiàn)行安全測試的不足之處，并提出合理化建議，以期為建立更加完善和科學(xué)的定量實驗方法提供參考和借鑒。

1 儲能用鋰離子電池安全性測試評價體系

國外相關(guān)的標準制定機構(gòu)主要是國際電工委員會(IEC)和美國保險商實驗室(UL)。國內(nèi)是以儲能國標為主導(dǎo)，此外有由中國電力企業(yè)聯(lián)合會(CEC)、中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟(CNESA)等社團組織牽頭制定部分行業(yè)(團體)標準。國內(nèi)外常用的儲能用鋰電池安全測試標準如表1所示，各標準的適用范圍和側(cè)重點不同，測試的項目和方法也存在差異。

表1 國內(nèi)外常用儲能鋰離子電池安全性測試標準Table 1 Domestic and foreign safety test standards for lithium ion batteries for energy storage system

1.1 國際標準

IEC 62619規(guī)定了鋰離子電池在工業(yè)設(shè)備用途方面的最基本安全要求，適用范圍較廣，包括固定式和電動式等儲能用鋰離子電池，但不適用于道路車輛和便攜設(shè)備用鋰離子電池。標準安全要求由功能安全和產(chǎn)品安全兩部分組成，其中功能安全針對電池管理系統(tǒng)的要求，測試其過熱控制、過充電電壓控制和電流控制。而產(chǎn)品安全是針對單體、模組和電池組系統(tǒng)，強調(diào)在合理的濫用條件下對安全性的測試和評估，主要測試內(nèi)容有熱濫用、撞擊和跌落、強迫放電、過充電以及內(nèi)短路和熱失控擴散試驗[8]。IEC 62619 標準僅包括安全性能測試，測試項目相對較少，但有深度，目前是電工產(chǎn)品安全檢測和認證(CB)的重要標準之一。

IEC 63056 是針對直流電壓1500 V 以下的儲能用鋰離子電池及電池組的測試標準，是附加安全要求[9]，同時IEC 62619 規(guī)定了基本安全要求。標準測試項目涵蓋了耐熱性、運輸和安裝過程中的電氣絕緣和短路保護、反向連接保護、過放電電壓控制以及跌落試驗。

1.2 美國標準

美國保險商實驗室(UL)是世界領(lǐng)先的標準開發(fā)組織。UL儲能電池相關(guān)的安全測試標準主要有UL1973[12]、UL 9540[13]和UL 9540A[14]，其考慮全面且嚴謹，在北美普遍使用，具有較大的影響力和代表性。目前，UL 1973、UL 9540 和UL 95040A 是美國和加拿大的雙重國家標準。

UL 1973是針對儲能用電池、電動軌道和鐵路應(yīng)用的輔助電池，覆蓋了各類鋰電池、液流電池以及高溫鈉電池等電池種類，涵蓋了對儲能系統(tǒng)的產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)和功能安全等要求。UL 1973測試內(nèi)容包括環(huán)境試驗、機械試驗和電氣試驗以及電芯失效試驗等[12]。與IEC 62619 和GB/T 36276 相比，UL 1973標準評估和測試的濫用情況更為全面。

UL 9540是全球首個固定儲能的安全標準，涵蓋了儲熱、電化學(xué)和機械儲能三種儲能類型。作為系統(tǒng)標準，UL 9540規(guī)定和評估系統(tǒng)中組件的安全性以及兼容性，如功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等，從而為儲能消防安全和建筑提供具體的規(guī)范指導(dǎo)。其中UL 9540A 是用于儲能系統(tǒng)熱失控火蔓延的測試方法標準，采用了從電芯、模塊、單元到安裝級別的層級遞增的測試方式，測試的結(jié)果定性和定量給出了儲能電池的火災(zāi)風(fēng)險，為儲能系統(tǒng)設(shè)計和滅火器選型提供參考和依據(jù)[13]。國際防火規(guī)范(IFC)和美國消防協(xié)會NFPA 855 均要求儲能電池和儲能系統(tǒng)必須分別有UL 1973 和UL 9540 的認證。UL 安全測試標準具有應(yīng)用性強和覆蓋面廣的特點。

1.3 國內(nèi)標準

與國外標準不同，國標并未將儲能電池的安全標準分離出來，而是作為相關(guān)安全規(guī)范中的一部分進行規(guī)定[15]。涉及安全測試方法的國標主要是GB/T 36276[16]。作為我國首個儲能鋰離子電池國標，GB/T 36276為儲能電池的測試認證提供了依據(jù)，也向儲能行業(yè)提出規(guī)范化安全要求，對國內(nèi)儲能的健康發(fā)展起到引領(lǐng)作用。GB/T 36276 針對性更強，只規(guī)定了儲能鋰離子電池相關(guān)測試和安全要求，測試項目更多地和儲能設(shè)備的使用環(huán)境相結(jié)合，覆蓋面廣，主要包括安全性能和電性能測試。安全性能的部分試驗項目與IEC 62619相同，此外，獨有的測試項目主要包括鹽霧和高溫高濕、耐壓和絕緣性能試驗等。GB 38031《電動汽車用動力蓄電池安全要求》[17]是首個強制性動力電池國標，代替了原有的GB/T 31485和GB/T 31467.3，備受關(guān)注。GB/T 36276 在制定時多引用動力鋰離子電池相關(guān)測試內(nèi)容，此外，標準中的熱穩(wěn)定性測試，即電池系統(tǒng)熱擴散和外部火燒等，對儲能電池系統(tǒng)測試具有很強的參考價值。

隨著老齡化社會的來臨，養(yǎng)老成了許多家庭關(guān)心的問題。如果子女為雙職工家庭，居家養(yǎng)老的難度會很大。尤其是癱瘓、半自理、輕度失智失能的老人，幾乎不具備家庭養(yǎng)老的條件。

國內(nèi)行業(yè)和團體標準包括NB/T 42091、T/CEC 172和T/CNESA 1000以及T/CNESA 1004[18-21]。其中，NB/T 42091制定較早，為2016年，規(guī)定了儲能用鋰離子電池技術(shù)要求和試驗項目，其中安全測試項目包括機械測試和電氣測試[18]。T/CEC 172主要參照國標，單獨將試驗方法和安全要求分離成一個標準，并對個別試驗方法做出修改調(diào)整[19]。T/CNESA 1000規(guī)定了儲能系統(tǒng)的評價方法和評價指標[20]，其中的試驗測試是引用的GB/T 36276和IEC 62619。T/CNESA 1004則創(chuàng)新性地提出從熱失控發(fā)生可能性和火災(zāi)嚴重性兩方面對鋰離子電池火災(zāi)危險性進行等級劃分[21]。

綜上所述，國內(nèi)外主要的鋰離子電池安全標準在測試項目和適用范圍上有所不同，但都主要規(guī)定從電芯、模組到系統(tǒng)進行分層級測試，此外，除常規(guī)安全性能和電性能測試外，依據(jù)儲能產(chǎn)品的特性增設(shè)了熱失控測試項目，這表明，儲能用鋰離子電池安全標準體系正在逐漸完善。

2 儲能用鋰離子熱失控測試評價研究

在電濫用、熱濫用和機械濫用條件下，電池內(nèi)部會發(fā)生多個復(fù)雜的化學(xué)和物理反應(yīng)，熱失控所釋放出的大量熱量和氣體引發(fā)多米諾效應(yīng)，使儲能系統(tǒng)中其他電池也發(fā)生熱失控，形成儲能系統(tǒng)的熱失控火蔓延，造成無法估量的損失。開展熱失控行為和火蔓延特性研究，既可以及早檢驗儲能系統(tǒng)電池和設(shè)計是否合格，降低安全風(fēng)險，又可以掌握熱失控火蔓延特性，從而為儲能系統(tǒng)的安全設(shè)計和救援提供技術(shù)指導(dǎo)和理論支持。標準中每個測試項目都是模擬在實際運行中可能發(fā)生的電池濫用情形。因此，本文重點分析了熱濫用條件下的電池熱失控測試方法，探討了在儲能系統(tǒng)不同層級熱失控傳播測試和評價方法。

2.1 儲能用電池單體熱濫用和熱失控測評

2.1.1 熱箱試驗

當前儲能用鋰離子電池安全標準中的熱濫用測試主要以熱箱試驗為主，且不同標準的測試方法相同，但具體參數(shù)設(shè)置有所差別。

IEC 62619規(guī)定的單體電池熱濫用試驗方法如下：將滿電電芯放置在熱箱中，熱箱以(5±2)℃/min速率升至(85±5)℃，并保持3 h后停止加熱。此過程電芯不起火爆炸則為合格。GB/T 36276 參考GB 38031，將高溫擱置溫度設(shè)定為(130±2)℃，但高溫擱置時間降低為30 min，隨后繼續(xù)觀察1 h。UL 1973的熱濫用試驗則采用便攜式設(shè)備的鋰離子電池安全檢測標準UL 1642，高溫擱置時間僅為10 min。筆者認為IEC 62619 的參數(shù)設(shè)置更為合理，考察了儲能用鋰離子電池長時間高溫擱置的安全性能，而不是便攜設(shè)備的高溫下短期擱置安全性能，且高溫擱置溫度要更符合實際的儲能應(yīng)用。

T/CNESA 1004采用熱箱試驗評估熱失控發(fā)生的可能性。熱箱的高溫擱置溫度依次設(shè)定為140 ℃、160 ℃和180 ℃，并在每個溫度臺階保持30 min，如檢測到電池發(fā)生熱失控，則記錄熱失控臨界環(huán)境溫度T0∶上一擱置溫度180 ℃。熱失控判據(jù)：電池起火爆炸或溫升速率>1 ℃/s(持續(xù)3 s以上)且電池溫度>200 ℃。熱箱試驗開展3次，取3次實驗的最小值T0作火災(zāi)危險性分級的試驗結(jié)果。熱箱的三個高溫擱置溫度設(shè)置依據(jù)分別為PE 隔膜熔點(135 ℃)，PP 隔膜熔點(165 ℃)和正極與電解液反應(yīng)溫度(180～200 ℃)。

2.1.2 熱失控燃燒試驗

因儲能用鋰離子電池容量和尺寸較大，熱失控燃燒試驗可在大尺度鋰離子電池火災(zāi)危險性試驗平臺和防爆罐中開展，結(jié)合熱釋放速率測量系統(tǒng)、傅里葉紅外氣體分析儀和氣相色譜儀等儀器對單體電池燃燒的熱釋放速率，產(chǎn)生煙氣和氣體釋放進行測量和分析。

GB/T 36276 規(guī)定的熱失控試驗采用平面狀或棒狀加熱器，與單體電池表面直接接觸，并在其表面覆蓋陶瓷或絕緣層等，完成兩者的裝配。加熱器的功率應(yīng)符合表2的規(guī)定，溫度傳感器安裝在遠離加熱器的電池一側(cè)。以最大加熱功率對電池加熱，如檢測到熱失控或電池溫度為300 ℃，則停止試驗，記錄實驗結(jié)果。熱失控判據(jù)：滿足①&③或②&③或④，其中：①電池產(chǎn)生電壓降；②電池達到規(guī)定的保護溫度；③電池溫度升溫速率≥1 ℃/s；④在試驗過程或者試驗結(jié)束的1 h內(nèi)，電池有起火、爆炸發(fā)生。

表2 GB/T 36276熱失控試驗加熱功率選擇Table 2 GB/T 36276 Selection of heating power for thermal runaway tests

UL 1973電芯燃燒試驗規(guī)定，將電池樣品放置在一個測試籠中的鐵網(wǎng)上。采用藍色火焰在鐵網(wǎng)下方對電池進行燃燒，直至電池爆炸或燃燒完全。測試籠的整體尺寸可以增加，以容納大型電池。燃燒結(jié)束后，局部或整個電池(含碎屑)均未穿出測試籠。而GB 38031 外部火燒試驗是以電池包或電池系統(tǒng)為對象，按規(guī)定將其暴露在火焰中一定時間?；鹪词且嫉钠汀Ｍ獠炕馃囼灩卜譃轭A(yù)熱、直接燃燒、間接燃燒和離開火源四個階段。為模擬動力汽車的應(yīng)用場景，可以對起保護作用的車身結(jié)構(gòu)開展火燒試驗。

表3 T/CNESA 1004燃燒試驗加熱功率Table 3 T/CNESA 1004 Heating power of combustion tests

圖1 鋰離子電池火災(zāi)危險性等級劃分圖Fig.1 Fire hazards classification of lithium ion battery

UL 9540A 則可在大型防爆罐中開展熱失控試驗。試驗采用薄膜加熱器，覆蓋在電池表面，明確對電池的加熱速率為4～7 ℃/min。如果加熱無法引發(fā)熱失控，可采用電或機械濫用等其他觸發(fā)方式，但至少開展四次重復(fù)試驗，以確保結(jié)果的一致性和重復(fù)性，記錄電池安全閥打開溫度和熱失控溫度。試驗采集防爆罐中電池熱失控氣體，使用氣相色譜儀或等效氣體分析技術(shù)確定氣體總量、氣體成分及占比，結(jié)合相關(guān)標準計算氣體的燃燒速率、最大爆炸壓力、室溫和排氣溫度下的燃燒下限。

2.2 儲能用電池模塊熱失控傳播測試評價

對于儲能電池模組或儲能系統(tǒng)單元而言，關(guān)于熱失控傳播的測試評價也同樣重要。其主要在考察儲能電池模組內(nèi)部電芯間的相互影響以及系統(tǒng)的整體熱控制能力，關(guān)鍵在于熱失控觸發(fā)方式和對象的選擇以及熱失控判定依據(jù)等，研究儲能電池熱失控傳播特性和機理，從而為儲能系統(tǒng)的安全設(shè)計提供指導(dǎo)。

GB/T 36276的熱失控傳播試驗方法規(guī)定如下：熱失控觸發(fā)對象應(yīng)為可實現(xiàn)熱失控的單體電池，且其釋放的熱量極易傳遞至相鄰電池?？刹捎眠^充和加熱作為熱失控觸發(fā)方式，其中加熱觸發(fā)與單體電池的熱失控試驗布置相同。過充觸發(fā)規(guī)定只對滿電的觸發(fā)對象以恒流充電至熱失控或電池的荷電狀態(tài)為200%，模組中其他電池不進行過充，充電電流最小為1/3 C，最大不超過電池持續(xù)工作的最大許用電流。為判斷電池模組是否發(fā)生熱失控擴散，需要實時監(jiān)測觸發(fā)對象和相鄰的兩個單體電池溫度和電壓。熱失控的判定方法與單體電池的熱失控試驗一致，如相鄰電池發(fā)生熱失控或模組內(nèi)存在起火、爆炸，則判定熱失控傳播發(fā)生。

GB 38031的熱失控傳播測試方法與GB/T 36276相似，同時增添針刺的觸發(fā)方式。GB 38031 規(guī)定的針刺觸發(fā)試驗按如下方式進行：采用直徑為3～8 mm圓錐形針尖的刺針以0.1～10 mm/s的針刺速度觸發(fā)熱失控。針刺的位置和方向應(yīng)可以觸發(fā)熱失控。熱失控傳播會在短時間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，要充分考慮電池系統(tǒng)的散熱能力和阻隔材料的有效性，并及時提供預(yù)警信號。IEC 62619并未對觸發(fā)方式和熱失控判定作具體詳細規(guī)定，但觸發(fā)熱失控方法要記錄到測試報告中，同時IEC標準規(guī)定電池內(nèi)短路試驗可以替代熱失控傳播試驗。

UL 9540A 模塊間熱失控傳播試驗規(guī)定：觸發(fā)足夠數(shù)量(一個或多個)單體電池發(fā)生熱失控，確保有足夠能量引發(fā)模塊的熱失控火蔓延，觀察熱失控蔓延特性。試驗采用與UL 9540A 單體電池熱失控測試相同觸發(fā)方式。樣品測試需在集煙罩下進行，收集模塊熱失控產(chǎn)生的氣體，可采用傅里葉紅外氣體分析儀、火焰離子探測器和鎳薄膜固態(tài)傳感器分別確定氣體組分、碳氫化合物和氫氣的含量。氧耗法量熱系統(tǒng)測量電池火焰燃燒的熱釋放速率和總?cè)紵艧崃?。測量試驗前后模塊的質(zhì)量，確定模塊熱失控火蔓延的質(zhì)量損失。試驗期間，使用光電探測器和白光源測量熱釋放速率測量系統(tǒng)排氣管道中的透光率，從而計算煙霧釋放速率和總量。

2.3 儲能系統(tǒng)單元和安裝層級測試

UL 9540A 儲能系統(tǒng)單元層級的熱失控火蔓延測試，主要是根據(jù)儲能系統(tǒng)單元安裝的9種應(yīng)用場景，進行試驗測試配置。試驗測量的參數(shù)與模塊級相同的有氣體、煙霧釋放速率和燃燒熱釋放速率，同時針對儲能單元級的特性，增添了對流熱釋放速率、輻射熱流和溫度等數(shù)據(jù)。其中，溫度測量區(qū)域主要有熱失控觸發(fā)單元、目標單元和墻體。此外，UL 9540A 針對儲能系統(tǒng)安裝層級測試，目的在于評估噴淋系統(tǒng)和消防計劃的有效性。測試可以從以下兩方面開展：①噴淋系統(tǒng)滅火和防爆試驗，②其他滅火系統(tǒng)和防爆試驗，例如氣體滅火劑、細水霧系統(tǒng)和組合系統(tǒng)。GB/T 36276 中對于電池簇的測試則主要包括絕緣性能、耐壓性能和初始充放電能量試驗等，IEC 62619針對電池組系統(tǒng)測試主要為功能安全性測試，兩者都在儲能系統(tǒng)熱失控火蔓延相關(guān)測試存在缺失。

如前所述，UL 9540A 對儲能系統(tǒng)不同層級熱失控火蔓延的試驗覆蓋更全面、測試方法更具體和應(yīng)用性更強，但缺乏定量的標準進行分析和評價，例如針對熱失控氣體的可燃性和毒性，可能存在爆燃和毒性等潛在危害，并沒有很好地定量評估。此外，需要注意上述試驗過程可能出現(xiàn)起火、爆炸、爆燃、可燃和有毒氣體的釋放等危險。因此，試驗人員要接受相關(guān)培訓(xùn)，佩戴必要的安全防護裝備，避免造成可能的傷害。

3 結(jié) 語

本文歸納對比了國內(nèi)外現(xiàn)有儲能用鋰離子電池安全性測試標準，詳細分析了儲能系統(tǒng)不同層級熱失控測試評價技術(shù)?？傮w來說，國內(nèi)儲能用鋰離子電池測試標準多引用便攜設(shè)備或動力鋰離子電池相關(guān)測試標準。儲能系統(tǒng)火災(zāi)事故的頻發(fā)，表明儲能用鋰離子電池安全測試標準仍存在較大缺失。此外，儲能系統(tǒng)的規(guī)模大，設(shè)計復(fù)雜，需長期安全運行，因此要結(jié)合儲能用鋰離子電池特性，開發(fā)適用于儲能用鋰離子電池測試方法和標準。我國儲能用鋰離子安全性測試體系不夠完善，總體有以下不足或建議。

（1）儲能系統(tǒng)不同層級熱失控火蔓延標準缺失，而熱穩(wěn)定性對電池安全性能至關(guān)重要，研究儲能熱失控火蔓延特性和消防抑制措施對儲能系統(tǒng)安全具有重要意義?？山梃bUL 9540A 的標準思路，采用分層級和多參數(shù)綜合測試和評估儲能系統(tǒng)熱失控火蔓延。

（2）缺少可量化的檢測標準和評價方法，目前的判斷依據(jù)多為泄漏、爆炸和起火等，過于單一和寬泛，此外，熱失控氣體積聚的爆燃和毒性等潛在危害難以判定和量化。相關(guān)的毒性氣體評價方法和模型，如FED 和FEC 等，以及動力鋰離子的危害等級劃分，均有參考和借鑒意義。

（3）現(xiàn)有儲能電池檢測標準均是對新電池進行測試，而老化電池的相關(guān)安全規(guī)定和檢測要求卻很少見，而部分儲能系統(tǒng)火災(zāi)事故是在使用一段時間后發(fā)生。因此需要建立相關(guān)檢測標準對使用過的電池進行測試和評估。

（4）大容量儲能用鋰離子電池危險性大、試驗成本高，相關(guān)檢測試驗技術(shù)仍存在不足，而動力鋰離子電池的檢測設(shè)備、相關(guān)試驗研究和檢測標準相對成熟。開展儲能用鋰離子電池安全試驗研究和設(shè)備研發(fā)，將有助于相關(guān)安全測試標準的制定和完善。

（5）完善的儲能安全測試標準體系可保證儲能系統(tǒng)安全運行，但需要對企業(yè)研發(fā)提出規(guī)范化產(chǎn)品質(zhì)量的要求，同時第三方檢測認證機構(gòu)需要及時掌握新標準測試要求，持續(xù)提升專業(yè)技術(shù)和服務(wù)能力，方能在儲能市場中脫穎而出。