中国科学技术大学教授、欧盟科学院院士孙金华：电化学储能安全的痛点与解决途径

“碳达峰、碳中和”目标愿景下，构建以新能源为主体的新型电力系统，为未来我国能源产业发展奠定了基调，也对我国能源清洁开发和消费模式创新提出了更高要求。

储能是构建新型电力系统的重要组成部分，能够促进能源清洁开发利用，提高能源利用效能，降低化石能源消费。

为贯彻落实“双碳”目标要求，助力构建以新能源为主体的新型电力系统，天津市发展和改革委员会、天津市滨海新区人民政府、天津市“碳达峰、碳中和”产业联盟于7月16日在天津市联合举办“2021天津储能发展论坛”。

论坛由国网天津市电力公司、国网综合能源服务集团有限公司承办，由中国综合能源服务产业创新发展联盟、中电联售电与综合能源服务分会、北京能见科技发展有限公司、中关村储能产业技术联盟协办。

此次论坛邀请了政府部门、院士、行业专家、电网企业、储能企业、新能源企业、储能投资企业等嘉宾参加。能见App全程图文直播。

中国科学技术大学教授、欧盟科学院院士孙金华出席论坛并做精彩主旨演讲。以下为演讲实录：

孙金华：尊敬的周院士，各位领导，各位专家，大家上午好，非常感谢大会组委会给我这样一个机会，跟大家交流。我的汇报主要从几个方面，一个是储能发展态势和安全痛点的问题，然后从三个层面，本质安全、过程安全和消防安全层面，怎么来思考和考虑的。

各位领导都特别强调了3060，习总书记提出这样一个宏伟目标，如何实现“双碳”的宏伟目标，发展新型的可再生绿色能源是必经途径。但是可再生新型绿色能源，有它的随机性和波动性，必须要跟储能相结合。所以储能是各个国家能源战略的重要内容，也是能源互联网的重要的环节，同时储能也是推动现在的主体能源，由化石能源向新能源转变的一个关键技术。

在这一背景下，无论是国际和国内，对储能都非常重视。到目前来讲，储能最主要的还是抽水蓄能，大概占接近80%以上。电化学储能占比不到10%，但是电化学储能由于它效率高，建设周期短，能够建很多分布式储能，它有这些优点，所以它的发展态势是非常快的。

从发展态势来讲，我们国家虽然在电化学储能这一块发展稍微滞后一点，但是后来者居上，现在已经可以说领先于国际上的储能。

特别是在“双碳”目标战略背景下，以及新能源革命也就是从化石能源向新能源转变，电化学今后还会更快速，甚至会呈现一个指数式或者是爆发式增长的态势。

如果保守估计，在未来，电化学储能年总装机规模，增长率在57%以上，接近60%，这是保守的估计。2025年达到50-60个G瓦时。

正是由于电化学储能大量的建设，也使得在电化学储能建设和运维过程当中，出现了一些安全问题，比如美国亚历山大州发生了消防事故，造成了消防人员的多人受伤，还有韩国在2017年12月到2019年5月，发生了23起事故。如果换算成每年发生火灾的概率，达到了1.5%，这是一个非常高的概率，也是不可接受的概率。正是由于韩国储能电站经常发生火灾，使得韩国的电化学储能在国际上的地位明显下降，韩国在18年的储能装机规模在全球是第一的，现在不行了。

我国同样也发生了一些储能电站的火灾，无论是从发电侧，电网侧和用户侧，都有火灾发生，特别是4月16日，在北京发生的火灾事故，这是全球第一个储能电站发生的火灾的死亡人数事故，造成了两名消防人员的牺牲，和一名员工的失联。

正是由于储能电站一系列火灾的发生，储能电站行业亮起了黄灯，这也是储能电站行业的一个痛点的问题。在“双碳”目标战略下，大力发展电化学储能，这个趋势是不可改变的。如何解决好电化学储能电站运维过程当中的一些痛点问题，保障行业的健康发展，要从三个层面做好工作。

第一，要本体安全，无论生产的电池，还是用于储能电站的电池，必须要安全，使着火的概率尽量降到最低的水平，这是第一道防线。但是电池完全不起火，是不可能的。这是目前锂电池的材料所决定的，正极是金属氧化物，负极是硅碳，里面有电解液，是可燃物，隔膜是可燃物，一旦出现问题，就会在电池内部发生材料的分解，材料和材料的化学反应，就会发生很多热量，诱发电池的着火。

如果第一道防线不能完全解决电池发生受灾，那能不能在电池使用过程当中，把安全问题解决呢？

第二，就是要发展在电池使用过程中的预警技术，尽量极早期在电池使用过程中发现隐患，把事故消灭在萌芽状态，或者是小火的状态。如果第二道防线突破了，最后就是消防，这是万不得已了。消防目的就是要将灾害损失降低到最小，而且要根据锂电池性能一些火灾，发展适合电池火灾特性的一些专用消防技术。

从前期的研究来讲，诱发锂离子电池发生火灾，主要是里面电解液氧化物的反应，这个是主导锂离子电池热失控着火的一个根源。能不能发明难燃或者不燃的电解液，从而降低电池在使用过程中，由于特殊情况产生的分解和化学反应所放出来的热量。

电池里面，有一个隔膜材料，主要是聚乙烯和聚丙烯的有机物，120度左右会熔化，熔化以后，电池就会形成内短路，放出大量的能量。如果把电池隔膜做得比较安全，毫无疑问对电池安全性的提升有很大的帮助。现在学界也正在朝着这个方向探索。

另外我们做储能电站，首先肯定要选安全的电池，安全的电池怎么选，用什么样的指标选，要对锂离子电池危险性评价的火灾进行分级，锂离子电池火灾危险性评价的标准，已经发布了，可以把锂离子电池危险性分成四个等级，一是最危险的，四是最安全的。

在过程安全这一块，我主要还是针对电池，以及电池模组在使用过程当中，可能出现哪些问题来展开讲述。能不能早期的对它进行发掘，对隐患进行及时的阻止很重要。

首先，我们发布了电池模组的隐患健康状态的评价方法，比如说内阻增加，发生的热量就会增加，危险性也会增加。

第二，无论是储能电站、新能源汽车，都是很多电池经过串并联，形成了电子模组。在串并联的过程当中，由于工艺问题，或者其他的问题，可能会有出现各种问题。基于交差电压测试和等效电路模型，我们发展了一种串联和并联电池组的连接故障诊断方法。

在极早期做故障诊断，发现电池有问题，就能进行极早期的处置。在极早期的故障诊断之后，可能会发生电池的热失控，之后会着火。热失控着火，用什么样的参数来对它进行预测和预警？参数的阈值是什么样？我们也做了一些大量的实验，对不同类型的电池，以及不同容量的电池，对它进行人为的热失控，包括环境、短路和加热，来监控热失控所有的能够测到的一些表观参数。

同时，我们也围绕着电池模组做了大量工作，一个电池着火以后，会向相邻电池蔓延，使得火灾态势扩大，造成大量损失。通过前面的，包括国内外同行的一些研究发现，一个电池着火产生的热量，如果有12%传给相邻电池，那么相连电池就会着或，把这个着火电池和相邻电池传播的热量控制在12%以内，就会保证火焰不会传播。我们发明了集常温散热、高温热阻隔为一体的“三明治”复合板结构电池热管理和热失控阻隔耦合技术，这边是导热性都非常好的，中间是一个隔热材料。

在中间用上相变材料，电池在充放电过程中产生的热量，能迅速的导走，电池温度升高到一定的温度，相变材料就可以吸热，可以很好的控制和防止电池温度的升高，优化电池模组的温度。

在高温下，中间的隔热材料起到了很大的作用。经过大量的实验，在第二和第三层放“三明治”的复合板，非常有效的阻止了火的蔓延。

最后就是消防安全，首先搭建了多尺度电池，也有储能电站方舱等等。在这些实验当中，首先要看一下哪些灭火剂对电池灭火是有效的，因为电池的火灾，跟常规的可燃的火灾是完全不一样的。电池火灾虽然我们看到的火是在电池外部，但是其实它的根源是在电池内部，也就是说电池内部的化学反应，然后使得它产生大量的热，以及一些可燃的气体，然后在压力升高的情况下，突破了气压阀，碰到空气当中的氧结合，形成了火焰。如果把火灭掉，不把电池内部的化学反应终止，或者化学反应的速度给降低，这个效果是不行的。

从实验结果来讲，气溶胶这些灭火剂虽然能够破灭电池的火，但是不具备对电池降温的功能，所以火扑灭以后，电池内部的化学反应还在继续，温度马上要升高，会形成复燃。

我们优化和创新了灭火的方法，第一次快速喷放灭火剂，后面根据电池的火灾性能，多次缓释，第一次配上灭火剂，把电池外部的火迅速批灭掉，后面多次缓释，就能保证储能电站的柜里面灭火剂的浓度达到一定的比例，即使你有可燃物的存在，有氧化剂的存在，它也不会着火。

最后，看看技术展望。对于一个储能站来讲，要结合BMS系统测到的数据，以及消防预测预警的一些模块，它的一些数据能够传到我们的监控平台，这个监控平台要有预管理模型，预测预警模型，灭火处置模型，然后对它进行智能的研判，如果正常，就给一个正常的指令运维，如果是异常，要进行异常处置，如果要着火了，就要进行消防灭火，从而实现系统化、智能化、小型化、轻量化和节约化的目标。

我的汇报就到这里，谢谢！

(根据速记整理，未经本人审核)