儲能系統火災危害機理

Energy Storage Association(2019)，所有儲能應用必須考慮一系列潛在的風 險，特別是:

• 操作危險

• 火災和熱事件(產生和反應)

• 極端天氣和天然災害，如地震、風暴和野火

• 網路安全風險

牛棟華等（2019），導致儲能電站起火的原因很多，包括電池、電氣設備 本身的質量問題，也包括系統保護措施設計的不完備，儲能變流器(PCS)、電池 管理系統(BMS)以及能源管理系統(EMS)等系統之間的控制及保護功能協調性差 等，施工過程中出現的品質問題、運作和維護管理不當等均也是儲能電站起火的 原因。

AFT（2019），利用鋰離子（Li-ion）電池的儲能系統（ESS）是風力發電 場，太陽能場和削峰設施的主要基礎設施，

鋰離子電池的使用可能會產生潛在的

火災危害，即熱失控。熱失控，B型火災（燃燒汽油、油、油漆、天然氣、丙烷

以及其他可燃燒液體、氣體和油脂的火），不同於電氣火災或C型火災。這種火

災危害是熱流熱傳問題，因為與電源的斷開連接允許更大的電流，因此不能消除 發生火災的風險。由於熱失控，損壞的電池可能會在數小時或數天後重燃。由於 B型火災的濃度水平不同於C型火災，僅化學抑製作用不會阻止熱失控。 抑制將 撲滅ESS容器或建築物內的C型火災，並阻止電解液放出電池而產生的電解液失火，

但不會阻止熱失控。

資料來源：Off-gas Detection for Lithium-ion Battery Systems

圖 2-8 熱失控循環與對策 熱失控過程與對策

1. 電池濫用

•熱、電或物理濫用

•導致電池損壞

•預防區域:BMS是防止電池濫用的主要防禦手段 2. 排氣

•由於電池內部壓力上升而導致電池盒排氣的事件

•如果不加以控制，熱釋放將繼續朝著熱失控方向發展

•預防區域：檢測電池中的廢氣可提供足够的時間防止熱失控 3. 煙

•災難性故障即將發生

•可能很快導致點火

•安全殼區域：電池已進入熱失控狀態，必須控制故障。

4. 火

•熱失控得到充分發展

•故障的可能性急劇增長

•圍阻區域：電池進入熱失控狀態，必須控制故障。

R. Thomas 等(2016)，鋰離子電池捲入完全燃燒的火焰所需的時間約為 5 分 鐘。牛棟華等（2019），整理熱失控現象、原因及防範措施。

一、何為熱失控及熱失控擴散 1、熱失控

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 失控的產生源於電芯內部熱量階段性變化，其與電芯安全關係如圖 2-9 所示

資料來源：「儲能電池熱失控和熱失控擴散發生機理」

圖 2-9 熱失控判斷流程

A1 階段：電芯在使用過程中首先會產生初始能量熱擾動，引起熱擾動的能量來 源包括電芯內部正常的鋰離子充放電化學反應、內部非正常化學反應

（如不符合額定電壓、電流、溫度或有熱傳導的濫用造成的內部劇烈 反應，外部和內部機械結構損傷最終造成的內部劇烈反應等），從而 導致電芯產生熱量。與此同時，電芯會向外進行熱量散逸，同時部分 化學反應會伴隨吸熱；

A2 階段：當電芯散逸的熱量+反應消耗的熱量≥電芯獲得的熱量時，電芯是安全 的；

A3 階段：當電芯散逸的熱量+反應消耗的熱量＜電芯獲得的熱量時，電芯產生溫 升 ΔT。如果 ΔT 沒有帶來電芯內部新的放熱反應，則電芯是安全的；

A4 階段：如有新的放熱反應（如 SEI 膜的分解放熱、電解液的分解放熱、氟化 物粘結劑的分解放熱、電解液分解放熱、正極活性材料分解放熱、過 充電時沉積出的金屬鋰與電解液發生反應放熱、金屬鋰與粘結劑的反 應放熱、可燃物質的燃燒等），當這些反應放熱所帶來的電芯內部反 應速度不可控時，電芯溫度上升將不可控，便會引起 A5 階段中我們常 規所定義的熱失控，如圖 2-9 各儲能相關標準中規定的電芯內部放熱 反應引起不可控溫升的現象。

電芯在使用後的狀態描述可分為未失效和失效兩種狀態。未失效即為電芯還 可以在滿足使用條件下繼續使用，而失效狀態則表明電芯不再適於繼續使用。失 效的狀態描述又可分為安全狀態和非安全狀態兩種：安全狀態僅表現為電芯的容 量衰減異常、內阻變化異常等；而非安全狀態一般指電芯對外將產生不可控的能 量釋放。

當電芯發生熱失控時，其能量釋放、有毒有害物質釋放的不可控即被定義為 起火、爆炸，此時即可判定電芯發生了安全事故。

2、熱失控擴散

熱失控電池產生的熱量高於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，由於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。

二、熱失控及熱失控擴散產生的原因

1、熱失控的引發原因

在電芯的實際使用過程中，其材料可逆容量、SEI 阻抗、電解液組分、結構 件物理指標等是一個動態變化過程，直接影響電芯充放電曲線、內阻等動態變化。

如果電芯的實際使用條件（如溫度限值、電壓限值、電流值等）沒有動態調整與 之匹配，從而造成電芯內部結構加速損傷以及引發部分關鍵原材料加速失效的情 況，稱之為電芯濫用。濫用經常會最終導致電芯安全失效，即熱失控。

熱失控現象的產生原因可以分為兩類：內因和外因。內因主要指在電池設計 及製造過程中產生的原因；外因主要指在電池運輸、安裝及運行維護過程中由於 人員、外部條件等導致的原因。分類概括如下

表 2-3 熱失控現象的產生原因

內部因素 外部因素

老化、內部能量劇烈釋放 意外事故引發機械結構損傷

 即化等導致內阻增大

 鋰金屬沉積刺穿隔膜

 內部雜質刺穿隔膜

 隔膜缺陷破壞等

 運輸過程中的交通事故

 異物衝擊等

濫用使用條件

 浸水、熱衝擊、振動、高溫環境及 灼燒

 過充過放、過壓欠壓、外短路等

資料來源：「儲能電池熱失控和熱失控擴散發生機理」

2、熱失控擴散的引發原因

電池系統發生熱失控擴散最直接的誘因，包括發生熱失控的電芯對其周圍其 他電芯的能量傳導（包括熱能、電能、機械能等）以及噴出物起火等。

(1)能量傳導

熱能傳導：當電池發生熱失控時，通過電池正面接觸而產生的側向加熱非常劇烈，

導致被加熱電池內部在厚度方向上溫度梯度變大，由於電池前端面溫度達到熱失 控觸發溫度進而產生熱失控擴散。

資料來源：「SUN Jinhua First Published a Review of Lithium Ion Batteries」

「儲能電池熱失控和熱失控擴散發生機理」

圖 2-10 熱失控擴散模型

電能傳導：某一電芯單體熱失控與隔膜大面積收縮造成內部短路，這兩者可互為 因果關係，最終都會造成發生熱失控的電芯能量迅速下降。在電池模 組並聯單元中，其他電芯會向發生熱失控的電芯放電，導致發生熱失 控的電芯溫度升高更多，同時，靠近已發生熱失控單體的電芯將比遠 端電芯以更大功率放電，導致其溫度迅速升高，從而促進熱失控的擴 散。

機械能傳導：某一電芯單體發生熱失控，可能會對模組機械結構造成影響，或者 其發生爆炸造成瞬間大量能量釋放，對其周邊的電芯也會造成一定程 度的機械損傷，而這些機械損傷將增加其周邊電芯發生失效的風險，

嚴重時可直接導致其周邊電芯發生熱失控。

(2)噴出物起火

電池發生熱失控時會噴出高溫氣體和顆粒混合物，這些氣體具有可燃性，

極易發生火災，這些高溫噴出物以及噴出物燃燒產生的火焰會加熱周圍電池，從 而加速熱失控擴散的進程。

在電池系統發生熱失控擴散過程中，上述多種誘因通常會同時發生作用。

三、熱失控及熱失控擴散的防範措施 1、熱失控的防範措施

根據鋰離子電池主要原材料不同，在發生熱失控時會有不同的起始溫度以及 不同的能量釋放速度。引起熱失控的因素無非內部因素和外部因素的交互作用，

濫用、機械損傷等外部因素最終也是通過誘發電芯內部材料劇烈反應而導致熱失 控。

因此，有關熱失控的防範措施，需從誘發熱失控的原因著手，通過分析上述 內部、外部誘發因素，可以從推遲鋰離子電芯失效速度以及降低熱失控破壞力方 面進行考慮，並從電芯獲取能量來源、原材料、結構設計等方面著手。例如 (1)提升電能給予準確度（如動態並且準確適宜的充放電方案和電壓、電流、溫

度監控方案）、以及提高材料穩定性等，可以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；

(2)降低副反應發生程度，可通過降低活性材料比表面積等，增加陶瓷塗層提高 隔膜熱穩定性，在正負極多孔電極配比內增加溫度影響內阻材料（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）；

(3)另外，當熱失控發生時，還可以通過增加類似圓柱 18650 電池 CID、VENT 以 及方型鋁殼電池防爆閥等，以及 OSD 阻斷設計來控制電芯能量釋放方向性和 及時性，進而降低破壞力。

熱失控是非常嚴重的電芯失效模式之一，將可能直接對人身安全及財產安全 造成損害。很多科研機構及電池企業都致力於通過技術手段規避電芯發生熱失控 的誘因，並且通過開發穩定可靠的觸發方法來檢測發生熱失控時造成的危害程 度。

2、熱失控擴散的防範措施

針對熱失控擴散的防範措施，主要有

(1)設計合理並且可靠的熱交換策略，主要有液冷技術、風冷技術、吸熱相變材 料技術等，在電芯發生熱失控時，及時將該電芯散發出來的熱量導出模組或 系統。這些技術的選擇要考慮到電池系統有一定機械形變以及電氣損傷後的 可靠性；

(2)根據電芯熱擴散係數，設計合理的電池間距，避免觸發熱失控電芯相鄰電芯 溫度的升高，降低因熱傳導導致的觸發熱失控的風險；

(3)電路中增加電流限制功能元件，當部分迴路電流、電壓、溫度出現異常時可 快速、準確的切斷迴路電流，可有效避免電能傳導；

(4)開發具有阻燃、降溫、滅火以及隔氧等功能的新材料；

(4)開發具有阻燃、降溫、滅火以及隔氧等功能的新材料；