1儲能電池熱失控原因及防護措施2025年4月二、鋰離子電池熱失控研究背景三、鋰離子電池熱失控常見誘因目錄ONTENTSC四、鋰離子電池熱失控防護管理措施2一、儲能電站簡介一、儲能電池簡介3儲能電站簡介4儲能技術主要有物理儲能（如抽水蓄能）、化學儲能（如鉛酸電池）和電磁儲能（如超導電磁儲能）三大類。化學儲能主要包括鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池等。鉛酸電池儲能電站鉛酸蓄電池具有價格低廉、原料易得、性能可靠、容易回收和適于大電流放電等特點。缺點：深度、快速、大功率放電時，可用容量下降；能量密度較低，壽命較短。二鈉硫電池儲能電站鈉硫電池的陽極由液態的硫組成，陰極由液態的鈉組成，中間隔有陶瓷材料的貝塔鋁管。電池的運行溫度需保持在300℃以上，以使電極處于熔融狀態。鈉硫電池的制造比較困難，對電池材料、電池結構要求高，因此制造成本較高,由于使用了金屬鈉，是一種易燃物，又運行在高溫下，所以存在一定的風險。三全釩液流電池儲能電站

全釩液流電池是一種以釩為活性物質呈循環流動液態的氧化還原電池，是一種新型清潔能源存儲裝置，有著壽命長、成本低、維護少、效率高的特點。四鋰電池儲能電站

鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負極材料、使用非水電解質的電池。充電時，Li+從正極脫嵌經過電解質嵌入負極，此時負極處于富鋰態，正極處于貧鋰態；放電時則相反，Li+從負極脫嵌，經過電解質嵌入正極，正極處于富鋰態，負極處于貧鋰態。鋰離子電池工作機理示意圖我國儲能系統簡介及分布5中國儲能電站相關的企業主要分布在華東和南方地區，華東占比41.1%，南方占比25.9%，其他區域較為分散。從全國各個省份來看，在南方地區主要以廣東為主，截至2020年8月4日，廣東共擁有儲能電站相關企業570家;在華東地區，儲能電站企業主要分布在江蘇一帶，截至2020年8月4日，江蘇共擁有儲能電站相關企業563家。儲能系統主要由四個部分組成，電池和電池管理系統（BMS），儲能變流器（PCS）以及對整個系統進行監控以及通訊的系統。我國儲能電站發展現狀6近年來，我國電池儲能發展迅速，主要呈現以下三個方面的特點：電池儲能技術日趨成熟。長壽命、高安全、低成本及高可靠的電池儲能技術是發展趨勢。近年來，我國電池儲能電站的安全性、循環使用壽命、環保性等關鍵技術指標均得到了大幅提升。裝機容量規模快速發展。截至2019年底，中國電化學儲能市場累積裝機功率規模為1592.7兆瓦，較2015年的167.0兆瓦在短短的五年時間內增長了近10倍。尤其是近年來電網側一系列電池儲能電站項目，如江蘇鎮江101兆瓦/202兆瓦時儲能電站、冀北電力公司風光儲示范工程等相繼并網運行，極大地推動了儲能電站的規模化發展。寧德時代承擔的國家“十三五”智能電網技術與裝備專項《100MWh級新型鋰電池規模儲能技術開發及應用》項目晉江100MWh級儲能電站我國電池儲能電站研究與發展現狀電池儲能電站專欄單位成本逐年下降。正是由于近年來我國電池儲能電站技術水平的提高和規模化商業運營，使得電池儲能電站單位成本呈現逐年下降趨勢。根據相關數據顯示，2010年我國鋰電池儲能電站的價格綜合度電成本為2.42元/千瓦時，2018年為0.4～0.5元/千瓦時，成本下降反過來促進了電池儲能電站的規模化發展和技術水平提升。二、鋰離子電池熱失控研究背景7背景8消費類鋰離子電池安全事故三星NOTE7手機電池事故電動汽車自燃事故以熱失控為主要特征的電池安全事故2019年4月，APS公司在亞利桑那州運營的儲能系統發生起火和爆炸事件航空鋰電池事故波音787其他一些因電池引發的儲能安全事故三、鋰離子電池熱失控常見誘因910電池“熱失控”相關定義電化學電池以不可控制的方式通過自加熱升高其溫度的事故即為熱失控。熱失控電池產生的熱量高于它可以消散的熱量時，熱量進一步積累，可能導致火災，爆炸和氣體釋放。如果電池系統中，由于一個電芯產生熱失控而引發其他電芯熱失控，即為熱失控擴散。以鋰離子電池為例，溫度達到90℃時，負極表面SEI膜開始分解。溫度再次升高后，正負極之間的隔膜（PP或PE）遇高溫收縮分解，正、負極直接接觸，短路引起大量的熱量和火花，導致溫度進一步升高。動力電池國標文件標準針對“熱失控”的定義GB/T36276-2018電池單體內部放熱反應引起不可控溫升的現象IEC62619:2017Uncontrolledintensiveincreaseinthetemperatureofacelldrivenbyexothermicreaction.電芯內由放熱反應引發的不可控制劇烈溫升。UL1973:2018UL9540A:2018Theincidentwhenanelectrochemicalcellincreasesitstemperaturethroughself-heatinginanuncontrollablefashion.Thethermalrunawayprogresseswhenthecell’sgenerationofheatisatahigherratethantheheatitcandissipate.Thismayleadtofire,explosionandgassing.一種電化學電池以不可控的方式通過自加熱升高其溫度的事件。當電池產生的熱量高于它可以消散的熱量時，則會發生熱失控。這可能導致火災，爆炸和氣體排放。表1國家標準中“熱失控”的定義表2國家標準中對“熱失控擴散”的定義標準“熱失控擴散”定義GB/T36276-2018電池模塊內的電池單體發生熱失控后觸發與其相鄰或其他部位的電池單體發生熱失控的現象。112鋰離子電池熱失控可能由機械誘因、電誘因、熱誘因等多種因素單獨或耦合誘發機械誘因（碰撞、針刺）電誘因（內短路、過充電）熱誘因（過熱、老化）熱失控短路產熱鋰離子電池熱失控誘因鋰離子電池熱失控過程中釋放出大量的能量，伴隨有冒煙、起火甚至爆炸等現象。230℃～250℃的高溫導致電解液幾乎完全蒸發、分解。分解產物含有大量易燃、易爆的有機溶劑，是熱失控的重要原因。電池組起火時表面溫度可達到650～1000℃。鋰電池為什么會起火乃至爆炸？12金屬熔點(oC)沸點(oC)熱導率(W·m-1·K-1)Al6602467238Cu10832567407(紫銅)，397(20oC)Ni1453273290.7Fe1535275046注：熱導率為單位截面、長度的材料在單位溫差下和單位時間內直接傳導的熱量。不同金屬材料的熱學性質鋰離子電池相關金屬材料132鋰離子電池熱失控來自哪些因素？儲能科學與技術,2020,09(05):1539-1547.

電池本體（是儲能系統安全的核心）外部激源運行環境管理系統電池濫用事故演化鋰電池儲能系統安全事故誘發因素及其交互關系圖14電池熱失控-本體因素

目前商業鋰離子電池中應用最廣的電解液體系是LiPF6的混合碳酸酯溶液（例如：DEC、DMC、EMC等），此類溶劑揮發性高、閃點低（DEC：33℃、DMC：18℃、EMC：23℃）、非常容易燃燒。

當內部短路出現，就會產生大量的熱，導致電池溫度上升。當達到一定溫度時，就會導致一系列分解反應，使電池的熱平衡受到破壞。當這些化學反應放出的熱量不能及時疏散，便會加劇反應的進行，并引發一連串的自加熱副反應。電池溫度急劇升高，也就是“熱失控”，最終導致電池的燃燒，嚴重時甚至發生爆炸。第三屆國際電池安全大會15NCA正極SOC:0%SOC:100%Si/C負極SOC:0%SOC:100%電解液NCA正極+新鮮電解液SOC:0%SOC:100%Si/C負極+新鮮電解液SOC:0%SOC:100%在88℃-100℃區間SEI膜分解，132-190℃區間隔膜熔化和電解液分解，在140℃-250℃，嵌鋰態負極發生相關反應，在198℃-270℃區間，正極發生相關反應。相對于電解質、嵌鋰態負極反應放出的熱量，正極相關反應放出的熱量更多，正極材料的熱穩定性對鋰離子電池的安全性影響更大。動力鋰離子電池單體熱失控機理研究DSC測試電池熱失控-本體因素16EOCV=4.139V，1Ah電池，ARC加熱溫度從室溫到220℃，加熱速率10℃/min。+→膨脹：氣體生成+電池完全炸開，腔體底部布滿黑色的極片殘渣電池熱失控-本體因素17電池熱失控-本體因素電極材料的化學特性及潛在污染性能表孫杰等，鋰離子電池及其材料熱失控及毒理研究18電池熱失控-本體因素熱失控氣體釋放量與電池容量關系無論軟包電池還是硬殼電池，熱失控氣體釋放量同電池容量進行擬合，發現大致呈線性關系：Vvent

(L)=1.961Capacity(Ah)上述公式可用于粗略估算電芯單體熱失控的氣體釋放量。以滿電100Ah電芯為例，其熱失控氣體釋放量高達196.1L。鋰離子電池負極材料、電解液溶劑、隔膜和粘結劑多為有機物，導致電池熱失控極易生成大量氣體,如CO2、CO和氟化氫、氫氣、甲烷、乙烷、丙烷等烷烴類氣體及固態顆粒物。熱失控產生的氣體量是非常關鍵的參數儲能科學與技術,2020,09(05):1539-1547.

JournalofPowerSources398(2018)106–11219電池熱失控-本體因素鋰離子電池熱失控生成相關氣體物化特性表氣體物化特性二氧化碳（CO2）常溫常壓無色無味氣體，熔點為-56.6℃（527kPa），沸點為-78.5℃，密度比空氣密度大（標準條件下），溶于水；空氣中二氧化碳濃度低于2%時，對人沒有明顯的危害，高濃度二氧化碳本身具有刺激和麻醉作用且能使肌體發生缺氧窒息。一氧化碳（CO）常溫常壓無色無味氣體，熔點為-205℃，沸點為-191.5℃，閃點低于-50℃，難溶于水；與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高溫能引起燃燒、爆炸，屬于易燃、易爆氣體。具有毒性，較高濃度時能使人出現不同程度中毒癥狀，危害人體的腦、心、肝、腎、肺及其他組織。氟化氫（HF）常態下是一種無色、有刺激性氣味的有毒氣體；熔點

-83.37℃,沸點19.51℃,閃點112℃；易溶于水，與水無限互溶形成氫氟酸，氟化氫有吸濕性，在空氣中吸濕后“發煙”。硫化氫（H2S）標準狀況下是一種易燃的酸性氣體，無色，低濃度時有臭雞蛋氣味；熔點

-85.5℃,沸點-60.4℃;有劇毒，腐蝕性，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。氫氣（H2）無色無味的氣體，標準狀況下密度是0.089克/升(最輕的氣體);熔點

-259.2℃,沸點-252.77℃;難溶于水;極易燃燒;氫氣雖無毒，在生理上對人體是惰性的，但若空氣中氫氣含量增高，將引起缺氧性窒息。甲烷（CH4）/乙烷/丙烷甲烷：是天然氣，沼氣，坑氣等的主要成分，俗稱瓦斯；熔點

-182.5℃,沸點-161.5℃,閃點-188℃；極難溶于水；對人體毒性較低。乙烷：無色無臭氣體；熔點約

-180℃,沸點-88.6℃,閃點低于-50℃；不溶于水，高度易燃。丙烷：無色、能液化的氣體；熔點約

-187.6℃,沸點-42.1℃,微溶于水；易燃，且具有麻醉性。四、鋰離子電池熱失控防護管理措施2021動力電池起火有何特點？因此，鋰離子電池熱失控一旦發生，很難終止其反應，可在熱失控發生前或者發生初期采取不同防護手段抑制熱失控的傳播。1.著火速度快、持續時間長鋰離子電池著火時，火勢僅僅數秒鐘的時間就在動力鋰離子電池模塊內快速的蔓延，持續約27min。2.燃燒溫度高動力鋰離子電池燃燒的一大特點是溫度高，燃燒中電池外部最高溫度可達283-1090攝氏度，電池內部的溫度可達572-1121攝氏度，如此高的溫度足以引燃電池模塊內部和汽車內的其他可燃材料，產生更大的火災。3.撲滅困難對于動力電池而言，大部分燃燒反應發生在電池外殼內部，電池外殼阻礙了滅火劑發生作用，在實踐中動力電池火災的撲滅時間往往超過了消防員所攜帶的氧氣瓶的供氧時間，對消防員的人身安全構成了一定的威脅。4.長時間自燃而爆炸鋰電池能夠自燃，隨后會因為過熱而發生爆炸。22電池熱失控防護管理措施通常，動力電池火災防護措施——冷卻作用、隔熱作用、窒息作用1

冷卻：通常電池外部的火使用適當的滅火劑是可以很快滅掉的,但電池內部的溫度很難降下來。如果內部的溫度高的話,化學反應還在繼續,滅火就還沒完成,還會發生復燃。因此最好的滅火方法必須要在滅掉外部火焰的同時,對整個鋰電池進行快速的降溫及冷卻,防止復燃。2隔熱作用：應用耐火阻燃隔熱涂層，即可以提高電池組抵抗外部火焰的能力，也能在電池發生燃燒時延緩火勢蔓延。如將電池組之間，加上隔熱層，限制熱失控的傳播。3

窒息作用：例如將電池放進堅固的鋼質箱子里，起到隔絕外部氧氣和限制火勢蔓延的作用。從電池材料組分、結構設計以降低熱失控破壞力方面進行分析23電池熱失控-材料組分調控降低活性材料比表面積，增加陶瓷涂層提高隔膜熱穩定性；增加正負極多孔電極配比內溫度影響內阻材料（如PTC或NTC材料）；改變電解液組分以提高穩定性及可靠性（如開發固態電解質、增加功能添加劑等）；二、降低副反應發生程度通過活性材料體相摻雜研究、組分及燒結工藝研究、殼核結構研究等，開發具有阻燃、降溫、滅火以及隔氧等功能的新材料；適宜的充放電方案和電壓、電流、溫度監控方案。一、提高材料穩定性24電池熱失控-材料組分調控添加劑：添加劑的基本作用就是阻止電池溫度過高和將電池電壓限定在可控范圍內阻燃添加劑：①有機磷化物阻燃劑：阻燃機理主要是阻燃分子干擾氫氧自由基的鏈式反應。添加劑氣化分解釋放出含磷自由基，該自由基具有捕獲體系中氫自由基終止鏈式反應的能力。主要包括一些烷基磷酸酯、烷基亞磷酸酯、氟化磷酸酯以及磷腈類化合物。針對電解液體系進行改進2.過充添加劑：①氧化還原類防過充添加劑，其原理是當充電電壓超過電池正常的截止電壓時，添加劑開始在正極發生氧化反應，氧化產物擴散到負極，發生還原反應。氧化還原對就在正負極之間穿梭，吸收多余的電荷。其代表性的物質有二茂鐵及其衍生物，亞鐵離子的2，2-吡啶和1，10-鄰菲咯啉的絡合物，噻蒽衍生物。②聚合阻斷類防過充添加劑，代表性物質有環己基苯、聯苯等物質。使用聯苯作為防過充添加劑時，當電壓達到4.5-4.7V時，添加的聯苯發生電化學聚合，在正極表面形成一層導電膜，增大了電池內阻，從而限制充電電流保護電池。鋰離子電池的安全性技術，中國知網。25電池熱失控-外部電路結構設計電池安全防護設計電池功能性元件的合理設計：電路中增加電流限制功能元件，當部分回路電流、電壓、溫度出現異常時可快速、準確的切斷回路電流，可有效避免電能傳導；電池單體的熱隔