数字储能网讯：

摘要：以锂离子电池为代表的电化学储能技术是当下新型储能领域装机规模最大、应用范围最广的储能技术。随着锂离子电池储能系统的装机规模增长，储能系统的安全问题已成为限制其进一步大规模应用的瓶颈，需要针对储能系统安全防控技术进行研究与开发。锂离子电池储能系统的安全防控理念贯穿于电池制造、电站设计建设、电站运行维护、事故后消防等环节。从锂离子电池本征安全、热失控蔓延与抑制、热失控监测预警、储能系统热管理、储能系统多级安全防控等五个方面分析评述了锂电池储能安全防控技术研究进展。

关键词：锂离子电池；储能系统；安全防控技术

全球“双碳”和能源转型的大背景下，“新能源发电+大规模储能”已经成为我国构建新型电力系统的主流模式。新型储能作为建设新型电力系统、实现“双碳”目标的重要支撑，在电力系统不同场景的应用价值具有多样性，对促进新能源消纳、保障电力供应、提升电网安全具有重要意义。以锂离子电池为代表的电化学储能技术由于其循环性能好、构建方式灵活、无记忆效应、比能量高、建设成本相对低廉等优势，成为目前电力储能领域应用最成熟、装机容量增长最快的储能技术。根据中关村储能产业联盟统计，截至2023年底，全国已建成投运新型储能项目累计装机31.39 GW/66.87 GWh，其中锂离子电池储能占比97.4%。预计到2030年我国风光发电装机容量有望达到2 200~2 400 GW，其中新型储能预计达到160 GW/400 GWh，届时锂电池储能电站装机量将进一步增大[1]。

在储能产业快速发展的同时，国内外的储能事故也屡见不鲜，引发了大众对锂离子电池储能系统安全性的普遍关注。据储能与电力市场的不完全统计，2017年至今，全球已发生近70起储能相关安全事故[2]，所涉及项目的总规模超4 GWh。而且随着储能市场发展和项目投运数量的快速增多，储能事故的数量也在急剧增加。

如表1所示[2]，根据网络公开报道的2023年全球储能安全事故原因来看，储能电站在投运前两年，尤其是投运1年内发生事故的数量占比较大，而且多为起火事故，较为严重的事故中甚至会出现爆炸现象。事故调查报告表明，储能电站的火灾事故通常是电池发生内短路故障，引发电池及电池模组热失控扩散起火，起火后的易燃易爆组分通过急剧扩散，与空气混合形成爆炸性气体，从而发生爆炸性事故。

表1 2023年全球部分储能安全事故

锂离子电池储能系统的安全问题严重制约其进一步大规模推广应用，随着“可再生能源发电+大规模储能”的发展模式不断升级，可再生能源发电装机量不断提高，锂离子电池储能装机容量将达到空前的规模，因此迫切需要针对锂离子电池储能系统安全技术进行研究与开发。本文介绍了锂离子电池储能系统的结构组成及其安全特性要求，并从锂离子电池本征安全、锂离子电池热失控蔓延与抑制、锂离子电池储能系统主动检测预警技术、储能系统热管理安全技术、储能系统多级安全防控技术等五个方面概述了锂电池储能安全技术研究进展。

1 锂离子电池储能系统结构及特点

1.1 锂离子电池储能系统结构组成

锂离子电池储能系统主要分为基建型储能系统和集装箱式储能系统。集装箱式储能系统由于其占地面积小、建设周期短、安装运输方便、安全性高、模块化程度高、环境适应能力强等优点[3]，已成为我国电化学储能电站的主要建设形式。储能集装箱系统通过高度集成的方式将电池组、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)、储能逆变器(PCS)、冷却系统、消防系统以及其他电气设备集成在标准集装箱内，国内较为常见的集装箱式储能舱结构如图1所示。

图1 锂离子电池储能系统结构

常见的储能系统中，通常采用方形铝壳磷酸铁锂 280 Ah电芯(3.2 V/280 Ah)，Pack的串并联方式是1并多串方式(常见1P48S)，多个Pack串联组成电池簇，多个电池簇在直流侧并联，汇入一个储能变流器转换成交流电，再经由变压器升压后接入电网。通常在每个并联电路的单支回路上，配置防止短路、过流的装置，当发生短路或过流时可切断主回路或旁路发生短路或过流的模块。电池舱通常具有防水、保温、防腐、防火、阻沙、防震、防紫外线等功能。对于电气设备中可能会产生的高电压、大电流等问题，在高压侧电路安装防雷防浪涌、通信防雷防浪涌设备以及相应的避雷器，并通过箱体外部四个角对称接地，以整体降低高电压、大电流的风险。此外，为了防止电池出现过度充电和过度放电现象，确保电池系统稳定、可靠运行，系统配置了BMS，并配备继电器、断路器、熔断器等，通过上述内部结构的优化设计，可以实现储能电池舱在不同环境下的全寿命周期安全可靠运行。

1.2 锂离子电池储能系统安全特性要求

常规锂离子电池储能舱容量在0.5~2 MWh，内部单体电池数量可达数万个[3]。储能用锂离子电池的电解液多为有机体系，其中电解液为沸点低、易燃的聚碳酸脂类混合物，负极为石墨，在长时间服役过程中部分电池负极会出现析锂，锂枝晶生长后会刺穿隔膜产生内短路等现象，从而引发热失控事故。此外储能舱中电池数量多、摆放密集，会增加甚至成倍放大电池舱的安全风险，若一个单体发生热失控，极易导致周围电池发生连锁反应，从而引发更大的安全事故。锂离子电池储能舱的火灾特点主要表现为[4]：(1)火灾发展迅速，从单体电池热失控冒烟发展到整舱级火灾，只需要十几分钟；(2)储能电池热失控会产生大量易燃易爆气体，舱体存在爆炸风险；(3)火灾温度较高，单体电池燃烧时温度可达700 ℃，火灾蔓延后可达1 000 ℃以上；(4)火灾扑灭难度大。因此，储能系统安全性能的提升需要从储能电池本征安全、早期检测预警、系统热管理、热失控蔓延抑制、多级安全防控等多方面进行综合优化升级。

2 锂离子电池储能系统安全防控技术研究

2.1 锂离子电池本征安全技术

储能用锂离子电池本征安全是影响储能系统安全的首要因素，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、过高/过低温度下运行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，要从根本上解决储能电池的安全性问题，需要从电池本征安全方面展开研究。通过对电池的电极材料、电解液、隔膜等关键材料进行改性优化，可以减少电池内部的副反应，从而提升电池本身固有的安全性。

2.1.1 电解液

有机碳酸脂类电解液的低闪点和易燃性是锂离子电池发生燃烧、爆炸等事故的根本原因，采用不燃性添加剂是降低电解液可燃性的有效途径。目前针对商业有机电极液体系闪点低、易燃等问题，国内外研究人员致力于改善电解液的阻燃性能、提高电解液的耐燃性，常用的方法是在电解液中添加一定比例的含磷、含氟、含硅等物质的阻燃剂，从而实现阻燃或者不燃[5]。

尹继辉[6]定量研究了甲基膦酸二甲酯(DMMP)对锂离子电池电解液着火及燃烧特性的影响，研究表明 DMMP 添加剂对电解液燃烧时的火焰尺寸、蒸发速率和燃烧强度皆有明显的抑制效果。梅杰等[7]针对锂离子电池电解液的燃烧特性，开展了基于三种复合系阻燃剂的电解液以及碳酸脂溶剂阻燃效果的研究，得出磷酸三(2-氯丙基)酯的阻燃效果最好。相比而言，有机磷酸酯溶剂组成的电解液与碳酸脂溶剂具有相似的溶液物理化学性质、丰富的架构多样性、良好的阻燃性，更适合作为不燃电解液溶剂。Fang等[8]使用二甘醇二乙醚和甲基九氟丁基醚的混合物作为锂离子电池的新型电解质，并在该电解液中使用了氟代碳酸乙烯酯添加剂，研究表明该电解液的不燃性和闪点比样品有明显提升。Naoi等[9]使用了支链状含氟醚(TMMP)作为EC和DEC的共溶剂，结果发现当加入TMMP的含量为50%(体积分数)时，电解液完全不燃。Xia等[10]合成了一种高效、高匹配性的阻燃剂——五氟乙氧基环三磷睛(PFPN)，考察了该阻燃剂的阻燃特性和电化学稳定性，研究发现只需在电解液中添加5%(质量分数)的PFPN，电解液就能变得完全不燃。Jiang等[11]通过添加全氟一丙基-3戎酮(PFMP)，辅以N,N-二甲基乙酞胺(DMAC)和氟碳表面活性剂(FS)，可以合成兼具自冷却和阻燃双重安全保护性能的复合电解质。YU等[12]设计了新型的阻燃浓电解液[6.5 mol/L锂双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺/氟碳酸乙烯酯]，这种浓电解液具有优异的阻燃性、高锂离子转移数(0.69)和稳定的锂离子嵌入/脱出行为，并在很宽的温度范围内(－10~90 °C)具有出色的循环性能。F. Aupperle等[13]报道了可用于硅基负极电池的含硅功能添加剂四乙氧基硅烷(TEOS)和2-氰基乙基-三乙氧基硅烷(TEOSCN)，有利于延缓锂电池热失控后的火势蔓延。Chen等[14]研究表明三乙氧基乙烯基硅烷(VTEs)的热稳定性高、对环境友好，有望成为理想的锂离子电池电解液添加剂。

关于耐燃性电解液的研究，目前主要是将具有阻燃或不燃特性的含磷系化合物、含氟溶剂、离子液体等溶剂作为电解液的添加剂或共溶剂使用，以降低电解液的可燃性。但是在实际应用中，当电池处于热失控状态时，电池内部的温度和压力会瞬间升高从而突破泄压阀，电池内部的高温有机气体接触空气中的氧气后容易导致电池爆炸燃烧。因此，设计合成离子电导率高、不易燃、电化学性质稳定的有机溶剂对于当前有机体系的锂离子电池安全性能的改善具有重要意义。

2.1.2 隔膜

隔膜作为锂电池的重要组成部分，起着阻隔正负极接触、吸收并固定电解液、传递离子等关键作用。常用的商用隔膜存在高温热收缩等问题，影响电池的持久安全性。近年来，研究人员致力于研制新一代耐高温、防刺穿、阻燃性能优异的多功能复合隔膜以提高电池的安全性能[15]。

An等[16]采用静电纺丝技术制备了MDA-ODA纳米纤维膜，该聚酰亚胺(PI)膜在500 ℃下尺寸保持稳定，电池在60 ℃高温存储一周后仍然保持良好容量。Kong等[17]通过氟化和热压处理，提高了PI膜的离子电导率和机械强度，改进后拉伸强度提高4.6倍。WU[18]通过在聚合物膜上涂覆SiO2、Al2O3和ZrO2制备有机/无机复合隔膜，在增强隔膜耐热性和强度的同时提高电池的安全性和可靠性。Li等[19]制备的多孔PI隔膜在高温180 ℃下放置30 min后热收缩<1%且无颜色变化，而聚烯烃隔膜在此状态下早己熔化成透明的丝状。将PI 和PE隔膜组装的电池在140 ℃保存1 h后进行0.5 C充放电测试，结果采用PE隔膜的电池可以正常充放电且保持较高的放电容量。Kang等[20]采用静电纺丝技术，以六苯氧环三磷腈为阻燃剂制备了高稳定性聚丙烯腈复合隔膜，当温度加热到200 ℃以上时该隔膜具有小于5%的面积热收缩。Meng等[21]采用静电纺丝法制备了用于锂离子电池的PET隔膜，DS和TG 测试表面改性隔膜分别在255 ℃熔化和413 ℃分解，表明PET膜具有很好的耐高温性。Chou等[22]在商业化的聚烯烃隔膜表面涂覆一层十溴二苯乙烷和氧化锑不溶性阻燃添加剂。卤素自由基和SbBrs共同作用熄灭火焰，因此新型复合隔膜相比于PET隔膜具有更好的阻燃效果和更短的自熄灭时间。Yeon等[23]在商业PE隔膜表面设计了两种由Al(OH)3或Mg(OH)2金属氢氧化物分别利用少量PVDF-HFP粘结剂形成的陶瓷涂层，两种复合隔膜都表现出良好的阻燃性能，显著缩短了自熄灭时间。

综上，研究者提出了多种策略来提高隔膜的安全性，在不影响稳定性和安全性能的前提下通过静电纺丝、表面涂覆改性、自组装改性等手段合成具有高热稳定性、高孔隙率、良好的循环性、高机械强度和新型多功能的高安全性锂离子电池隔膜。

2.1.3 正极和负极材料

储能用锂电池正极材料一般是锂基金属氧化物(过渡金属氧化物、聚阴离子化合物)，负极材料多为石墨，这些材料均被设计在相对较高的电位条件下进行充放电，频繁的充放电会对这些材料本身结构稳定性造成影响，从而影响电池安全性能。

通过在电极材料表面添加无机类包覆层如 ZnO、Al2O3、AlPO4、AlF3，有机类包覆层如聚苯胺-聚乙二醇、二烯丙基二甲基氯化铵以及由电解液添加剂形成的保护膜等，可以改善其热稳定性。李腾飞[24]研究发现聚3-烷基噻吩中电化学活性基团PF6－的掺杂/脱掺杂行为使其可以用作锂离子电池正极活性材料，聚3-烷基噻吩和CNT纳米化复合后提供了更多的活性位点，提高了活性材料的可逆容量。Wang等[25]提出了一种简单可行的表面梯度掺杂钇的策略，研究结果表明掺杂后材料表面形成了梯度掺杂层，从而改善了结构和热稳定性能。Huang等[26]通过Te掺杂制备的Te 1%-NCA正极材料在高电压(4.5和4.7 V)条件下表现出更好的循环稳定性、良好的倍率能力和高热稳定性(峰值温度为258 °C)。Li等[27]采用表面包覆TiO2改善三元材料热稳定性，提升其热分解临界温度，研究发现使用TiO2@NCM523正极的电池在高截止电压下表现出更好的循环性能，同时提升了正极材料的热分解温度，改善了电芯的热稳定性。Sun等[28]开发了一种具有浓度梯度的高热稳定性正极材料，电极颗粒具有富镍的内层和富锰的外层，材料在高温和过充条件下，相比较NCM811材料具有出色的热稳定性。Sakaki等[29]研究发现三元正极材料掺杂镁元素后会提升过充条件下正极材料的电化学稳定性，能够避免过充时正极颗粒的破裂。吕海龙[30]通过化学氧化聚合法制备了具有电子导电性的聚噻吩(PT)和包覆芳香族聚酰亚胺(PI)的有机复合电极材料，具有很高的结构稳定性。武建鑫[31]通过调整LiAlO2和PANI的包覆量，提高了LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2材料的锂离子扩散系数，同时抑制了材料表层的副反应，使其结构稳定性得到大幅提升。
通过对电极材料本身结构进行掺杂或者包覆改性能够一定程度上提升电极材料的热稳定性，但是目前相关的掺杂包覆工艺均为实验室研究阶段，部分工艺流程较为复杂，距离大规模储能的产业化应用仍存在一定的距离。

2.2 锂离子电池热失控蔓延与抑制技术

锂电池热失控发生过程中会在各个阶段均放出大量的热，热量的积累会进一步加剧事故蔓延，所以控制其反应温度是阻止锂电池热失控蔓延的必要条件。灭火剂是在火灾事故中常见的消防物资，根据物理状态分为干粉、水基灭火剂、气体灭火剂和气溶胶灭火剂，虽然种类繁多，但能够有效控制锂电池热失控事故的灭火剂还是比较少。目前锂电池火灾最常用的以及灭火效果相对较好的有水基型灭火剂和洁净气体灭火剂。现有的灭火剂存在冷却效果有限、导电性强、单次使用量大、产生有毒有害气体和易于复燃等问题。国内外研究人员在锂离子电池用冷却剂和灭火剂的筛选、配方优化等方面已经做了大量的工作。

黄强[32]以8.8 kWh磷酸铁锂储能电池模组为实验对象，以0.5 C恒流过充诱发电池热失控至起火，灭火实验采用中压细水雾、Novec1230、七氟丙烷、六氟丙烷等4种不同灭火剂，对比不同灭火剂的灭火效能。研究结果表明：六氟丙烷无法在短时间内扑灭明火；Novec1230和七氟丙烷能快速扑灭明火，但降温效果不彻底，容易发生复燃，均不适合作为磷酸铁锂电池模组灭火剂；中压细水雾能迅速扑灭明火，持续喷射可防止复燃，是较为理想的灭火材料。王青松等[33]研究了不同灭火剂对锂离子电池火灾的抑制效果，结果表明ABC干粉、七氟丙烷(HFC)、水、全氟己酮和CO2灭火剂能熄灭电池明火。张宏[34]以磷酸铁锂储能电池包热失控后降温为研究重点，分别使用氮气、七氟丙烷、全氟己酮、细水雾等灭火介质开展降温效果研究，结果表明各灭火剂的降温效果依次为：细水雾>全氟己酮>七氟丙烷>氮气，降温速率分别为0.24、 0.15、0.05和0.07 ℃/min。刘一帆[35]以全氟己酮为油相，采用氟碳表面活性剂全氟辛酸钠和助表面活性剂全氟丁醇将全氟己酮进行乳化，将水相进行包裹，配制出1种“油包水”的全氟己酮微乳液，该乳液使电池组正面峰值温度降低了82.03 ℃，侧面峰值温度降低了145.07 ℃，并且降低了电池的热失控剧烈程度，对磷酸铁锂电池热失控的抑制效果明显。赵蓝天等[36]使用细水雾对簇级和单个磷酸铁锂电池模组进行灭火实验，簇级磷酸铁锂电池模组比单个磷酸铁锂模组的燃烧温度峰值高约400 ℃，使用压力为0.2 MPa的细水雾均扑灭两组实验火灾，均无复燃，有极好的灭火效果。张青松等[37]在细水雾中添加不同浓度的物理添加剂、化学添加剂，根据物理添加剂、化学添加剂的灭火特性筛选出三种物理添加剂和四种化学添加剂， 通过对比七种添加剂对锂电池火灾的灭火效果，最终得出三种物理添加剂灭火特性排序为FC-4>三乙醇胺>十二烷基苯磺酸钠，四种化学添加剂灭火特性排序为尿素>磷酸二氢铵>碳酸氢钾>氯化钠，并得出各添加剂的最佳浓度。黄宗候[38]针对锂离子电池单体及模组的热失控危害性，提出了一种基于液氮冷却的锂离子电池热安全防控策略，通过实验验证了液氮抑制热失控及其传播灾害的有效性。叶祥虎[39]以储能磷酸铁锂电池为实验对象，搭建过充热失控实验平台，并基于不同初始电荷量和不同倍率进行过充实验，使用火灾动力学模拟工具(fire dynamics simulator，FDS)对储能场景下磷酸铁锂电池组热失控火灾进行电池模组建模，使用细水雾作为灭火方式，进行细水雾关键参数灭火仿真。仿真结果表明细水雾流量1 L/min、雾滴直径100 μm、细水雾喷头顶部中央布置为最佳灭火方式，通过实验验证该装置对磷酸铁锂电池热失控火灾具有良好的灭火效果。

2.3 储能系统主动监测预警技术

针对储能电站存在的危险性，国内外学者开展了电化学储能安全预警研究。普通感烟和感温火灾探测器不适用于锂离子电池热失控早期预警，目前电化学储能电站系统的安全性研究主要从以下三个方面进行[40]：(1)测量电池内部参数，寻求电池内部参数与电池安全运行的关系；(2)根据电池管理系统(BMS)测量的电池外部电路参数，综合评价电池组运行状况；(3)针对电池热失控前期化学反应的特殊气体进行测量，构建气体参数模型，用于储能电池组的安全预警。

2.3.1 电信号预警方法

在电信号预警方面，一般采用基于在线阻抗测量的监控技术。电池热失控早期的产气、鼓包、微短路等现象都会都引起电芯阻抗的变化，利用这一特点可以实施提前预警。蒋杭廷等[41]对比分析了混合脉冲功率特性法、直流内阻测试法、交流注入法、直流放电法和电化学阻抗谱法(EIS)这五种典型的锂离子电池内阻测量方法，创新性地引入了内阻和电池寿命、电池状态以及电池安全预警之间的关系，为提高化学电源性能评估的准确性、预测化学电源寿命和优化化学电源使用提供了解决方案。田爱娜等[42]以EIS为基础，采用单频阻抗X1 Hz和X100 Hz实现电池内部阻抗的实时检测。在不同充电倍率、环境温度和健康状态下进行验证，特征阻抗表现出很好的稳定性，该方法的最后一级预警可在热失控前5 min以上发出安全预警。赵乔[43]以电网储能用大容量锂电池为实验对象，进行了锂电池EIS的测量实验，得到了锂离子电池EIS与内部温度之间的关系，同时利用软件Zsimp Win对所有状态下的阻抗模型参数进行辨识，找寻与电池内部温度相关、荷电状态(SOC)无关的参数，最后通过对预测温度误差的修正，保证内部温度估算的精确度。秦世超[44]以磷酸铁锂电池为研究对象，设计了以SOC和温度控制变量的交流阻抗测量实验，通过实验获得的数据，应用Arrhenius的形式对阻抗模值与内部温度进行拟合，建立了基于阻抗模值的电池内部温度估算函数关系式，并利用该方程式对不同工况下的锂离子电池内部温度进行了在线检测。EIS在安全预警领域相比于电压、温度等参数具有独特的优点，在研究电池内部变化方面起着关键作用，尤其在热失控预警领域，未来电池热模型的建立和EIS将会获得更多的关注以及更广泛的应用。

2.3.2 基于数据——模型混合驱动的电池储能系统早期预警技术

李润源等[45]采集电压、电流、温度、声信号等电池储能系统工作数据，检测表面健康程序，根据工作数据与表面健康状态的变化规律，综合考虑影响因素，预测储能系统的运行走势，设置电池储能系统消防安全早期预警等级，完成电池储能系统消防安全的早期预警，准确率达到了99.7%。吕力行等[46]以经典Thevenin电路模型和扩展卡尔曼滤波构建锂电池的数学模型，提出基于实际系统与模型仿真系统运行状态偏差的非线性估计方法，实现对数-模偏差的有效估计进而实现电池的预警过程。江露露[47]通过商业仿真软件AutoLion和MATLAB/Simulink联合搭建了软包型锂离子电池包短路模型，设计了多组仿真测试并获取了内短路故障数据集，基于该数据集详细分析了电池初期内短路故障的电学特性，预警方法的准确率可达97.73%，具有较高的可靠性。李翔[48]通过典型深度神经网络模型的算法与结构，选取卷积神经网络(CNN)、双向门控循环单元(Bi-GRU)和注意力机制(Attention)，建立CNN-BiGRU-Attention混合模型作为充电设施故障预警模型，并分析故障预警的阈值指标，验证所提基于GAIN数据插值的CNN-BiGRU-Attention安全预警方法的有效性和可行性。刘建军[49]提出一种基于核密度估计和长短期记忆模型的健康监测和预警系统, 该系统利用核密度估计评估储能电站单体的健康状态，符合电站变量关系复杂的特点，定位准确，同时基于模型的故障预警模块，可以满足储能电站系统对故障早期预警、提前动作的要求。
2.3.3 基于气液逸出物分析识别的电池储能系统早期预警技术

吴敏[50]提出了一种基于单片机STM32F103的电池储能系统有害气体检测与预警装置，该装置采用MQ-2烟雾(甲烷)传感器、MQ-7一氧化碳传感器、MQ-8氢气传感器作为信号采集器，测量无烟、轻微烟、中度烟、浓烟情况下传感器输出的电压值，并实现声光报警的功能。郑志坤[51]通过搭建磷酸铁锂单体电池失控及气体探测实验平台，开展热失控6类特征气体(氢气、一氧化碳、二氧化碳、氯化氢、氟化氢和二氧化硫)在线探测，结果氢气在着火前13 min率先被探测到，具有一定的超前性。王铭民等[52]以硬壳磷酸铁锂电池模组和软包磷酸铁锂电池模组作为实验对象，搭建真实的储能舱实验平台，采用可见光摄像头、气体探测器、红外监控系统进行全方位监测，结果发现磷酸铁锂电池热失控各阶段反应现象对应的气体浓度存在差异。林格[53]开发了一种适用于锂离子电池存储区白雾、烟气及火焰的基于图像识别与大数据分析的 人工智能(artificial intelligence，AI)探测系统，该系统可在冒白雾 1 min 内有效预警，较吸顶式感烟火灾探测器的响应时间快5～10 min。唐文杰[54]提出了一种基于气液逸出物图像识别的锂离子电池火灾早期预警方法, 通过改进 YOLOv3的锂离子电池储能舱汽化电解液识别方法，缩小了模型体积，提升了模型预测速度，降低了模型部署的硬件成本，实验平均精度为 83.65%，平均预测速率为 65 帧/s，满足了锂离子电池储能舱汽化电解液实时检测快速、精确的要求，在实际应用中表现出良好效果。

2.4 储能系统热管理安全技术

储能系统中大量电池紧密排列在有限空间内，易产生热量不均匀聚集，造成不同单体电池的温度出现较大差异，极大地影响系统性能和寿命。因此，储能系统热管理安全技术的研究及应用对于提升整个电池舱的安全性能具有重大意义。

田刚领等[55]以兆瓦级集装箱式锂离子电池储能系统为实验对象，开展了热管理系统散热风道结构、空调、电池模组散热风扇以及热管理系统温控策略设计优化，并验证了热管理系统设计的合理和有效性。研究表明，优化后的热管理系统及温控策略可以保证储能系统 0.5 C 充电运行时，电池最高温度不高于34 ℃，储能系统最大温差基本保持在5 ℃。王晓松等[56]以储能集装箱为研究对象，根据锂电池发热特性，应用标准的k-e湍流模型、D-O辐射模型，实现了集装箱内流场、温度场的数值模拟，根据模拟结果在风道内加设导流板，并进行结构调整，对原有工况进行优化，优化后流场与温度场分布更加均匀，能够降低电池模块间温差。李明等[57]以5 MWh储能电池舱为实验对象，提出了基于EMS计划曲线和电芯温度的热管理控制策略，并分析了应用该策略对电芯温差及空调耗电量的影响，结果表明，电芯本征不一致、模组风扇状态、空调状态对电芯温差均有影响，空调启动对温差有负面作用。赵泓伍等[58]以500 Ah的大容量软包锂离子电池单体为研究对象，选用相变微胶囊材料和扁平热管的组合，验证电池热管理系统的效果，结果表明，在高倍率充放电条件下通过增加相变材料的厚度可以降低电池的温升与温差，相变材料与热管配合使用可以进一步降低电池主体的温升。农增耀[59]使用烧结芯铜水热管作为传热元件，改性石蜡作为相变储能材料构成储能单元，同时使用水冷模块进行辅助冷却散热，形成集散热储能于一体的热管理系统，实验结果证明该系统的节能热管理效果是可行有效的，当需要系统整体温度控制在25 ℃以上时，储能单元中相变材料(PCM)充当热源由热管进行散热，多种工况下系统整体均可保温达到300 min。吴毛毛[60]以三元低共熔脂肪酸为芯材，银颗粒修饰的膨胀石墨为载体，采用真空浸渍法制备了不同银颗粒含量的银颗粒/膨胀石墨/三元低共熔脂肪酸复合相变材料，并将其应用于电池热管理系统，结果表明，银颗粒含量占载体3%时的复合相变材料具有满足锂电池热管理系统要求的相变温度，且具有高热烩值、高导热、强热稳定性等优点。Dubey等[61]以21700圆柱锂离子电池组成的电池模块为实验对象，研究了浸没式冷却系统在提高电池最高温度、电池温度梯度、电池间温差和压降方面的功效，结果表明，浸没冷却由于其较高的热导率导致在高放电率下电池内的最高温度和温度梯度较低。Wang等[62]采用高绝缘10号变压器油作为浸入式冷却剂，搭建了由5节并联的10 Ah锂离子软包电池组成的实验平台，研究了液浸式电池热管理系统的冷却性能及其影响因素，结果表明，浸入深度为13.2 cm(全浸高度)且流速为0.8 L/min的液浸式冷却方案在2 C和25 ℃时表现出最佳的热管理性能。顾万选[63]设计了采用全包围式的液冷管道结构的液冷系统，液冷管道与电池直接接触部分采用圆弧面设计，整体管道呈蛇形，仿真验证分析发现，该冷却系统对散热效果的提升显著。

综上所述，在集装箱储能系统热管理安全领域，空冷技术因其技术成熟度高、工程造价低、难度小，依然是集装箱储能散热的首选。液冷系统目前也相对成熟，但是因储能系统在有限空间内电池数量众多，冷却介质一旦泄漏容易造成短路，并引发连锁反应，造成重大事故，因此动力电池系统内应用成熟的液冷技术目前并没有大规模应用于储能系统。相变材料冷却和热管冷却技术自身存在系统复杂、体积庞大、价格昂贵等问题，依然停留在实验室研究阶段，暂未能真正应用于集装箱储能系统。

2.5 储能系统多级安全防控技术

孟祥鹏[64]基于锂离子电池热失控特征分析选择了基于电池气体分析的热失控鉴别方法，结合多级防护机制来进行消防安全系统设计，提升了电池储能系统工作的安全性。熊铭辉等[65]建立了一套储能电站电池安全监测系统(ESMS)，功能包括实时显示电池信息、预估SOC、超限报警、预处理等，该系统能实时检测储能电站每块电池的状态信息，并与正常值进行对照，适时发布报警信息，提醒工作人员提前进行处理，避免安全事故的发生，为储能电池在储能电站中的大规模应用提供保障。管敏渊等[66]基于烟/温感探测器、可燃气体传感器、Pack温度传感器构建了多层协同的预警技术，实现对电气火灾、锂离子电池火灾的精准预警。吴静云[67]以磷酸铁锂电池早期热失控及热扩散的特征气体参数为探测对象，对电池热失控状态进行预测预警，及早预测电池异常状态，与电池管理系统(BMS) 智慧联动，提出多层次火灾报警控制策略，通过火灾探测和报警控制系统，对电池热失控状态进行预测预警，在储能电池舱灭火控制阶段，联动灭火装置可由自动、手动及远程应急三种中的任一方式启动，实现有效灭火。陈先斌[68]研究了一种“浸默式”电池系统解决方案，不仅能有效灭火，还能解决电池的热蔓延问题，该方案复合型火灾探测器告警等级分为两级，一级为预警通过氢气、一氧化碳、烟雾、挥发性有机化合物的浓度和温度值判断，满足阈值即产生一级预警，同时联动声光报警器，对工作人员进行提醒；二级为火灾报警通过氢气、一氧化碳浓度和温度值判断，满足阈值即产生二级报警，联动声光报警器，延时3 min驱动火灾抑制装置开启。林伯江[4]综合考虑电池储能舱火灾发展迅速、易复燃的特点，提出了以气体作为灭火剂的簇级灭火系统和以水基作为灭火剂的空间级灭系统的多级安全防控系统。舱体火灾初期阶段开启采用气体灭火剂的簇级灭火系统，将火灾控制在簇级内；当舱内火灾蔓延时，开启采用水基型灭火剂的空间级灭火系统。两套灭火系统的启动顺序，会根据不同火灾判断依据进行，以达到在保证消防安全的前提下，将火灾经济损失降至最低的目的。李建林等提出[69]吉瓦级电化学储能电站的安防体系需采用多级冗余互补设计思路，通过开发高预见性、低时延的潜在风险预保护策略，配合电池模组-柜体-箱舱多层级结构、细水雾-气溶胶-水淹等多灭火方式的安防体系，并采用终端级、本地级、设备级建立多智能体系统，可实现对数百兆瓦级蓄电池储能电站的实时监控和运行控制。

3 结论

本文从锂离子电池本征安全、锂离子电池热失控蔓延与抑制、储能系统主动监测预警、储能系统热管理安全技术、储能系统多级安全防控等方面综述了储能电站锂电池安全防控技术研究进展，得到如下结论：

(1)储能系统本质安全仍然是电化学储能系统大规模应用中最突出、最受关注的问题，加强储能电池系统本质安全是推广电化学储能大规模应用前的重要任务。将来固态电池、水系电池等在电池结构和材料创新的基础上，结合传统的安全预警控制措施，借助愈加精确化、智能化的管理技术，储能电池系统将得到越来越广泛的安全应用。

(2)在锂离子电池热失控蔓延与抑制方面，各类灭火剂和冷却剂的研究都取得了长足进步，但依然面临“重部件、轻系统”的倾向，对锂电池储能系统消防灭火装置作为一个整体关注不够，锂离子储能消防组件设计存在集成度低、兼容性差等严重的技术漏洞，导致各部件间协同性较差。因此，需要对当下锂离子电池消防系统在设备集成化、智能化等方向不断优化升级。

(3)储能系统监测预警方面，传统感烟和感温火灾探测器不适用于锂离子电池热失控早期预警，通过电池内部参数实时监测，将阻抗、电压、电流、温度等信息与专业的模型仿真系统结合，同时配备相应的烟气感应探测器，形成多级联合健康监测和预警控制系统，才能有效地对储能系统实现分级预警监测。

(4)储能系统热管理安全方面，空冷、液冷、相变材料、热管冷却等技术已取得不同程度的进步，但目前空冷技术是依然储能系统热管理安全方面的首选，未来储能系统热管理安全研究对于储能电池安全和寿命的意义重大。

(5)储能系统多级安全防控技术方面，通过将电池主动预警监测、簇级灭火、电池舱级灭火、电池热管理安全技术、舱外消防系统优化整合到一起，实现对储能系统安全隐患提前预警、分级管控的目的，未来将是储能系统安全控制方面的主要发展趋势。

总体来说，改进单一的材料或结构的确可以提高电芯的本质安全性，但仍需与先进的安全技术预防控制结合，以减少在划定本质安全范围之外的运行事故影响，降低运行事故中的人员安全风险。此外，应建立科学合理的消防安全仿真模拟控制系统，并结合当下先进的AI技术，提高锂离子电池储能消防系统的智能化，提升电网储能的安全性和可靠性，为实现锂离子电池储能系统大规模的工程化与商业化应用提供必要的技术保障。