储能的黑洞:由北京储能电站爆炸与韩国储能电站事故中引发的安全问题思考!

储能世界网讯:储能的黑洞:燃烧的导火索

近日,北京一储能电站发生火灾,消防队在对电站南区进行处置过程中,电站北区在毫无征兆的情况下突发爆炸,导致2名消防员牺牲,1名消防员受伤(伤情稳定),电站内1名员工失联。

韩国再次为储能系统安全问题敲响警钟。当地时间2021年4月6日,韩国一光伏电站储能系统(ESS)起火,烧毁面积达22平方米,共造成约4.4亿韩元损失(约合人民币258万元)。

“安全”是储能发展绕不开的话题。近年来,大到储能电站,小到新能源车,起火事故时有发生。

这些事故,除了电池本身缺陷外,还存在着很多亟待解决的系统问题。围绕近期发生的多起电池起火事故,本版将从基础研究、技术开发、设计制造等多个维度,对保障储能安全展开思考。

事故回顾:4月17日凌晨,北京消防官方微博通报,4月16日12时17分,北京市119指挥中心接报丰台区南四环永外大红门西马厂甲14号院内储能电站起火的警情,调派15个消防站47辆消防车235名指战员到场处置。14时15分许,在对电站南区进行处置过程中,电站北区在毫无征兆的情况下突发爆炸,导致2名消防员牺牲,1名消防员受伤(伤情稳定),电站内1名员工失联。

经初步调查了解,起火现场为北京国轩福威斯光储充技术有限公司储能电站。事发前,该电站正在进行施工调试。

4月16日23时40分,明火被彻底扑灭,现场仍在进行冷却降温处理。北京市区相关部门已组织专门力量,做好起火区域及周边监测排查,确保安全。事故原因和财产损失正在调查之中。

韩国再次为储能系统安全问题敲响警钟。

当地时间2021年4月6日,韩国一光伏电站储能系统(ESS)起火,烧毁面积达22平方米,共造成约4.4亿韩元损失(约合人民币258万元)。

相关部门初步调查后指出,着火点在储能单元内部发生,其电芯供应商为LG新能源。

该项目安装公司负责人表示,“火灾是在遵守政府和制造商要求的所有安全标准的情况下发生的,由于是室外设施,因此充电率(SOC)限制为90%。”

对此,LG新能源表示,火灾现场储能系统确实是其公司产品,但尚未确认是引起火灾的原因。目前警察和消防部门正进行联合检查,以确定起火的确切原因。这并不是LG新能源的储能系统产品首次发生起火事故。

在2017年8月至2019年10月,韩国发生的27起ESS火灾事故中,有17起事故装置的是LG化学生产的锂电池。2019年11月以来,LG的储能电池着火事故又发生了3起以上。此外,2020年12月,LG化学宣布在美国召回其部分Resu10H家用型储能系统产品(ESS),原因是内部搭载的电芯存在发热起火风险。

外媒报道称,在这场火灾中,尽管LG化学否认其储能电芯存在质量问题,但一系列的起火事故已经让其电池安全受到广泛质疑。事实上,不仅是在韩国,在中国安全问题也已成为储能产业面临的瓶颈之一。国内储能在电网侧、发电侧、用户侧均出现过不同程度的火灾事故。虽然鲜有正式的通报和报道,但事故是客观存在的,这也一度成为储能圈内争议的焦点。而这些事故的背后是多重原因造成的。

过去几年,储能市场逐渐升温,各路资本相继进入。在行业的初期,市场难免鱼龙混杂,既有宁德时代、比亚迪这样的独角兽,也有大量企图赚快钱的中小企业。在市场不成熟的前提下,从业主、投资商到设备商,更在意的是价格和成本,对产品的风险控制和安全并没有足够的认识。起火事故的背后还折射出现有监管能力的缺失。与电动汽车行业100多项国家标准相比,储能行业的国家标准还不到20项,且其消防安全国标至今不存在。

如今,行业处于大规模应用的初期,储能电池性能指标模糊、规划设计简单、储能火灾消防还欠缺研究和技术支撑,电化学储能电站的性能及安全存在很多关键问题亟待解决。建立健全的储能技术标准和检测认证体系已迫在眉睫。

储能安全问题

储能安全问题不仅仅是电池带来的,储能安全是一个系统问题,某一环节出现问题,均有可能导致起火。

自2017年8月韩国23个储能电站起火事故发生以来,储能安全问题就一直困扰着行业。近几年储能安全也是储能发展绕不开的话题,目前储能安全问题主要来自于电化学储能。(根据《2020储能产业应用研究报告》,仅在2019年,中国储能项目新增装机共计1228.4兆瓦,其中电化学储能项目新增装机678.4兆瓦,占比第一,高达54.5%)

截至2019年底,锂离子电池装机占电化学储能装机规模的82.4%。锂电池在使用过程中,通过锂离子嵌入和拖出释放能量。如果使用不当,如过充、高温、碰撞等条件下可能会诱发电池内部的热化学反应,导致热失控发生。“如果热失控在电池模组内发生传播,会导致系统的火灾事故的发生。”值得注意的是,热失控会产生有毒和可燃气体,而锂离子电池的火灾扑救更困难,给消防带来挑战。

电池组(堆)是最大的安全隐患之一。目前全球主要储能企业以传统电池企业为主,技术类型上基本以两大派系为主,即日韩三元锂电池体系和中美磷酸铁锂电池体系。但也并不是说磷酸铁锂电池绝对安全。2018年8月初,我国江苏一储能项目中磷酸铁锂电池集装箱起火并烧毁,但起火原因目前还未公布。

电池本体因素成为安全核心。储能安全事故成因可划分为电池本体、外部激源、运行环境及管理系统四类。而电池本体因素仍是储能安全的核心,其诱发安全事故的来源主要包括电池制造过程的瑕疵及电池老化带来的储能系统安全性退化两方面。电池在非常规的运行环境及管理系统因素影响下,内部老化过程更加复杂多变,并逐渐演变成安全问题。鉴于电池本体因素长周期演化特征,研究如何通过电池内部老化机理、电池间不一致性演化及对应的外部参数变化,实现对储能系统安全性演化趋势的预测和早期预警,成为当前锂电池储能安全管理的重点。有关专家表示,“受现阶段管理系统的监测管控可靠性限制,对电池本体的充放电的电池荷电状态(SOC)区间有必要适当收紧。一般而言,锂电池在20%~80%的SOC区间工作时充放电内阻较小,发热量也相应较小,并且该区间工作不容易造成电池的过充过放问题,有利于规避因此产生的风险。”

据中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室副教授段强领介绍,锂电池在使用过程中,通过锂离子嵌入和拖出释放能量。如果使用不当,如过充、高温、碰撞等条件下可能会诱发电池内部的热化学反应,导致热失控发生。“如果热失控在电池模组内发生传播,会导致系统的火灾事故的发生。”值得注意的是,热失控会产生有毒和可燃气体,而锂离子电池的火灾扑救更困难,给消防带来挑战。近年来,电化学储能技术应用提速,产品投运周期越来越短,在安全标准体系尚不完善、监管机制尚未建立的情况下,各国储能安全事故时有发生。“必须正视这些关键问题。”以江苏昆山储能电站消防设计为例介绍,他们通过与国网江苏省电力公司合作,在磷酸铁锂电池预制舱首次配置自动灭火系统、火灾报警及联动控制系统,其中自动灭火系统创新性集成应用了七氟丙烷气体灭火系统和高压细水雾灭火系统,设置了自动控制、远程手动控制等4种控制模式,实现了系统效用最大化,将电池运行的安全系数提到最高。据悉,昆山储能电站是世界单体容量最大的电网侧电化学储能电站,建设规模为110.88兆瓦/193.6兆瓦时,总占地面积31.4亩,共配置88组预制舱式储能电池,电池采用磷酸铁锂电池方案。风险防控与处置相结合。储能安全技术问题的核心分为安全风险和安全处置,前者包括储能系统及部件的电气安全风险、机械安全风险、化学安全风险、火灾安全风险、爆炸安全风险等多个维度。风险分析和风险评估是认知风险的核心内容。接下来就是安全处置,包括参数量化准入限制设定、产品防护设计、消防环节设计、感知预警、紧急处理、运维等。

如何解决储能安全问题

一不要恐慌。从理论上来说,储能项目的安全性都能通过工程技术手段去解决,因此没必要引起恐慌。目前遇到的储能事故,主要是有些技术门槛及安全措施没有严格到位。

二不要将事故简单的归结到电池选择上。目前来看,发生储能安全事故的主要原因是锂电易燃,伴随有热失控发生,但引发的事故点往往不是电池,我们看到更多的起因是由于电气事故引发。安全是一个复杂的体系,不能简单归结到电池选择上,配套系统同样重要。

三不要以牺牲安全措施为代价压低成本。目前国内储能项目招标价格逼近成本价,同时要求项目短期内必须上马,一方面低成本限制了系统安全措施的投入,另一方面仓促交付会导致系统测试与验证期过短,无法充分论证安全性的问题。因此,在保证安全的前提下实现可接受的技术经济性是储能产业发展需要克服的挑战。

四要尽快推进安全标准及相关规范的制定。发生事故之后必须把起火的真实原因摸清,针对问题制定解决方案和整改措施。而滞后或空白的相关标准规范,有关部门也要抓紧研究制定和出台。中关村储能产业技术联盟(CNESA)针对储能安全需要也相继开展了联盟标准规范、检测认证等方面的研究制定工作,目前正在制定储能系统的综合评价指标并拟开展相关评价工作,推动行业的健康有序发展。

五要在储能项目正式运行之前经过充分论证和安全评估。近一年来,中国、韩国、比利时的锂电项目均出现了起火事故,但锂电的主流厂商在欧美市场保持比较低的事故率,部分项目的安全使用时间已经超过8年,国外很多有价值的经验已经转化成为规范和标准。这充分说明虽然锂电存在易燃、热失控的风险,但通过严格有效的管控、从安全角度提高准入门槛,并经过充分的安全测试与权威认证是可以保障锂电池储能系统安全性的。

六要重视新型水电解液电池发展。大规模蓄电的储能电站,务必将安全放在一切需要考虑的问题之首。储能电站作为经营单位,经济效益也很重要,应该使用能量转换效率高、寿命长、造价和运行成本低、适当兼顾比能量的电池。因此,当前应高度重视新型水电解液电池的发展与应用:

1.大力发展能量转换效率高于80%、造价低于2元/瓦时、循环寿命达10000次的新型液流电池;现有液流电池也应提高到这个水平。

2.在持续治理铅污染的同时,积极支持研制比能量大于50瓦时/千克、循环寿命达3000次、价格低于0.6元/瓦时的新技术铅酸电池。

3.鼓励发展比能量大于50瓦时/千克、循环寿命达4000次、价格低于0.8元/瓦时、生产-回收全过程环境友好的新型水电解液储能电池。

在合适的进、出电价条件下,使用上述电池的蓄电站均有可能取得YCC(规模蓄电技术经济效益的判据)指数达1.0的运行效果,且有较高的安全保障。

专家观点

新能源行业专家们认为,“锂离子电池不容易点燃,但是一旦变成火灾时,其火焰强度无法使用水灭火,还会出现如烟花一般的连环爆炸。虽然ESS储能系统普及是值得赞扬的,但需要政府或安全监管机构对此保持重视,至少要具备最小限度的安全概念,需要对已安装储能系统设备进行全方位检查”。

中国科学院电工所储能技术组组长陈永翀教授认为,现有结构设计的锂离子电池应用于规模储能,尚存在较大的安全风险,需要创新突破。尤其是三元锂电池,即使是电池系统的外部电压在正常的范围内,经过一段时间的使用后,也很难保证电池内部材料电化学性能的均一性,局部活性区域容易出现过充或过放,造成锂枝晶短路或电解液分解,继而引发电池的热失控,发生燃烧甚至爆炸。

陈永翀指出,目前的储能锂电池系统缺乏内部可控的安全设计,一旦某个电池出现热失控,很容易导致电池系统的整体失控。因此,锂电池应用于电力储能,还需要较大的技术突破,以解决安全和寿命问题。另外,储能电池的应用安全标准也需要建立起来,避免安全事故的发生。

中国化学与物理电源行业协会储能应用分会秘书长刘勇表示,截至目前,业界主要目光集中在储能应用的商业模式创新上,而随着储能项目在新能源发电、电网侧、工商业用户侧、电力辅助服务、微电网、光储充电站、能源互联网、智慧能源、数据中心、节能改造、岸电改造等众多领域的广泛应用,以及储能电站规模逐步向兆瓦级、几十兆瓦级甚至百兆瓦级大力推进,如何做好储能系统优化与安全风险预防措施将显得尤为重要。 刘勇指出,希望目前暴露出来的安全风险要引起相关主管部门重视,项目业主要积极做好相关风险安全评估和预案措施,同时,要从目前全球储能项目中暴露出来的安全风险中不断总结经验,优化储能系统整体结构设计,并着力构建产品安全标准体系建设,共同推动储能产业健康稳定发展。

韩国锂离子电池储能电站安分析及思考全事故的分析

摘 要:安全性是锂离子电池储能系统的重要议题,探究锂电池储能系统安全事故成因,开展储能系统安全状态的评价与早期预警及事故风险的管控与防护等研究具有重要意义。本文立足于韩国公开的其国内近期发生的锂电储能系统安全事故调查报告,对电池本体、外部激源、运行环境及管理系统等引致安全事故的因素进行了分析,梳理了四类因素作用下电池及系统安全事故的触发及演化规律,探讨了四类因素间的相互影响机制,总结经验教训的同时提出了锂电储能系统安全管理的发展方向。

储能系统(energy storage systems,ESS)是现代电力系统及智能电网的重要组成部分,也是实现可再生能源并网消纳及分布式发电高效利用的重要环节。随着电池技术的不断进步及其成本的降低,以锂离子电池为主的电化学储能系统近年来得到了迅速发展及工程应用。相比铅酸、钠硫等电池储能系统(battery energy storage systems,BESS)而言,锂离子电池储能系统具有能量密度高、转换效率高、自放电率低、使用寿命长等优势。然而,锂离子电池采用沸点低、易燃的有机电解液,且材料体系热值高,在电池本体或电气设备等发生故障后,易触发电池材料的放热副反应,引致电池热失控,进而可能演化成储能系统燃烧爆炸等重大安全事故。国内外锂电池储能的工程应用中均有火灾事故发生,造成了严重的经济损失及社会影响。安全问题已逐渐成为锂电池储能电站建设及大规模应用的首要问题,探究锂电池储能系统安全事故成因,开展储能系统安全状态的评价与早期预警及事故风险的管控与防护等研究具有重要意义。

1韩国锂电储能电站安全事故概述

近三年来,国内外锂电池储能系统装机增长迅速,据中关村储能产业技术联盟(China Energy Storage Alliance,CNESA)统计,仅2017—2018年间电化学储能装机由2926.6 GW增长至6625.4 GW,年增幅126.4%。其中,韩国锂电储能在其可再生能源证书奖励政策激励之下迅速发展,2018年全球新增电化学储能装机中,韩国几乎占据全球45%。然而,韩国储能电站发生火灾安全事故的数量和比率也处于全球首位。2017—2019年期间,报道的韩国储能电站事故已近30起。对此,韩国组织相关电池厂家及研究机构对2019年6月前其境内23起储能安全事故开展了调查及分析,表1汇总了2019年6月前韩国储能事故情况。

表12017年8月—2019年6月储能的黑洞:

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在相关事故的调研及验证性测试中,调查团队将储能电站事故致因总结为以下四个方面:电池系统缺陷、应对电气故障的保护系统不周、运营环境管理不足、储能系统综合管理体系欠缺。其中,电池内部及成组问题、外部电气故障、电池保护装置(直流接触器爆炸)、水分/粉尘/盐水等造成的接触电阻增大及绝缘性能下降等问题将可能直接诱发电池热失控。而电池管理系统(battery management systems,BMS)、储能变流器(power conversion systems,PCS)、能量管理系统(energy management systems,EMS)之间信息共享不完备或不及时,PCS和电池之间的保护配置与协调不当、PCS故障修理后电池的异常、测量装置及管理系统之间发生冲突等系统管理问题,则可能使故障不能及时有效地得到管控而演化为事故。在电池本体安全性方面,该调研报告中对模拟制作的极片折叠和切割不良电池进行充放电测试,在约180次循环过程中未发生能够导致起火的电池内部短路问题,未明确提出电池内部故障是否能触发安全事故演化。然而,从事故触发阶段的统计结果来看,充电后等待阶段的事故发生占比超过60%,如图1所示。

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图12017年8月—2019年6月韩国锂电池储能电站事故发生阶段统计图

在充电后等待阶段中,系统通常处于断路状态,外部电气故障等外部激源触发电池热失控的概率将显著降低。同时,该阶段中电池本体通常处于高SOC状态,一方面更易受外部滥用触发热失控,另一方面电池可能存在局部过充问题,由电池本体引发的系统安全事故概率将显著上升。事实上,韩国在2019年8月至12月间又新增5起储能电站事故,后续报道指出所有的5个BESS的电池都处在高SOC状态(>90%)下,电池逐渐过热引起起火,由电池本体触发储能系统安全事故的可能性极大。

一般而言,锂离子电池本体需要工作于适宜的电压、电流、温度及SOC等参数的安全窗口内。国内外学者已对锂电池本体故障及安全演化机理进行了深入研究[],认为过充、过放、过电流、过热等滥用行为以及电池内部短路是导致电池安全状态演化至热失控的直接原因。储能系统作为一个整体,触发上述滥用过程的原因复杂且相互交叉,需要从系统层面进行分析[6]。结合韩国储能事故调查报告,我们围绕电池本体滥用机制,对报告所提四个方面因素进行了归纳和梳理,旨在从系统层面厘清锂电池储能电站安全触发及演化机制,为系统安全性评价与早期预警及安全风险的管控等提供依据。

2锂电池储能系统安全事故演化分析

储能安全问题是系统性问题,事故的发生往往由多因素交互作用演化发展,最终导致电池滥用及热失控的发生。借鉴韩国储能事故报告对安全诱因的分类,本文将安全事故成因划分为电池本体、外部激源、运行环境及管理系统四类,并讨论四类诱发因素的相互作用机制及对电池滥用和失控过程的触发机制。图2归纳了四类诱发因素交互及滥用触发关系。

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图2锂电池储能系统安全事故诱发因素及其交互关系

2.1电池本体因素

由电池本体诱发安全事故的来源主要包括电池制造过程的瑕疵以及电池老化带来的储能系统安全性退化两方面。电池在生产制造过程中,存在涂布过程金属污染物颗粒混入、正负极流体边缘毛刺等概率。虽然韩国储能事故调查中对该类问题进行了验证性测试,指出180次循环内未发现电池故障,但受循环次数和循环工况的限制,该结果的得出未考虑毛刺、颗粒随电池老化而发生形态演化问题。

研究表明,Fe、Ni等金属颗粒污染物混入电池内后,会随着电池老化的进行逐渐分解并沉积在负极表面,形成枝晶并逐渐演化为微内短路。由于Fe、Ni等金属熔点远高于Li,形成的微内短路不像锂枝晶会熔融消退,而是逐渐扩展为硬短路,导致隔膜结构破坏及热失控的发生,其危害甚至高于锂枝晶生长造成的内短路。关于锂离子电池的老化过程性能变化,理论研究已经定性揭示了这个过程:在锂离子电池运行过程中,副反应会导致电池的阳极和阴极都发生老化。对碳基阳极来说会产生一层SEI(固体电解质界面)膜,SEI 膜对电池正常运行有益且必要,但电解质分解产生的副反应会导致电池性能衰退。老化过程中SEI膜因电解质的反应产物的沉积而变厚;阴极的表面也会产生一层表面膜,在老化过程中膜的厚度变化不会很明显,但其孔隙率、电导率和扩散系数会因副反应产物的沉积堵塞已生成的表面膜微孔且随着时间发生变化。负极的SEI膜变厚,使电池阻抗增加和发生不可逆的锂损失,最终造成容量衰减;而正极的活性颗粒受到沉积物的阻塞同样会增加阻抗,导致可用活性物质和容量减少。

上述论断是电池在常规使用条件(适宜温度,一般为20~40 ℃;低倍率放电;容量衰减小于20%)下电池内部的变化;在非常规的运行环境及管理系统因素影响下,如高温或低温环境、高倍率充放电或电池容量衰减大于20%时,电池内部发生的老化过程更加复杂多变,逐渐演化为安全问题。

图3揭示了锂离子电池老化过程所有可能经历的内部变化。电池的首次充电过程使负极(一般为嵌锂碳)和电解质发生电化学反应,生成SEI膜;在电池的后续循环过程中,电化学寄生副反应使SEI沉积并变厚,电极材料的不断膨胀与收缩导致新的活性位点暴露出来,在快速充放电或电极活性物质分布不均匀的情况下,活性物质(模型中一般简化为颗粒)容易发生粉化、碎裂、脱落或结构错位;与此同时,如果电池长期在高于其额定电流的电流密度下快速充电或低温下充电,其负极表面容易形成金属锂枝晶。金属锂用作电池负极时,也容易产生枝晶,若这两种枝状晶体逐渐生长,容易刺穿隔膜,引起电池内部的短路。此外,当电池过放电时(1~2 V),负极的集流体铜箔开始溶解,在电极上析出形成铜枝晶,易造成电池短路,同样,正极集流体铝的表面氧化膜长时间与电解质相互作用可能发生溶解,使得铝箔被电解质腐蚀。

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图3锂离子电池老化造成的内部变化

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图4储能系统安全状态预警

目前储能系统的安全预警均以管理系统某些特征参数的阈值判断来识别电池是否有热失控风险,其对安全管理的定义主要是指消防安全,对应的早期预警主要是指热失控的提前预警。针对锂电池热失控风险的预警包括判断各种滥用阈值是否被触发、是否监测到滥用过程副反应产气等。

然而发展到该阶段时,电池内部链式反应已经产生,单体热失控已不可逆;预警的主要目的是提前预判热失控,给消防系统的介入争取时间,控制事故的扩大。在安全状态早期预警阶段,通过对电池运行及环境因素的历史数据分析、机理模型推演、演化趋势判断等开展安全特性演化行为预判,有望实现潜在热失控电池的更早期甄别,通过采取适当的安全管控措施可以有效避免热失控的发生。

电池本体安全状态演化识别包括内短路发展估计、老化程度估计以及成组后的不一致性演化评价等方面。从系统层面来看,对电池间不一致性及其演化规律的识别,将有可能获取更多安全状态演化信息。例如某电池本体的电压异常,其有可能是与电池组内其他单体的可用容量、内阻、自放电率、荷电状态等存在明显差异而导致,往往需要结合电池内/外参数辨识技术,才能实现对引发电压故障的原因实施合理诊断。运行环境因素对安全性的影响具备时间积累特性,并受管理系统的初始设计和管控性能的直接影响,同时运行环境以边界条件的形式影响电池本体安全状态演化。综合以上特征,借助储能系统多尺度多场耦合建模仿真,并通过融合算法与实测数据动态交互,分析电池系统宏观特征表现变化的成因,进而实现不同热失控触发机制的识别和定位,是实现安全状态早期预警的关键。

4结 论

基于韩国储能事故调查报告,对电池本体因素、外部激源因素、运行环境因素及管理系统因素四个方面进行了分析,梳理了四类因素对电池及系统安全事故的触发及演化规律,并探讨了四类因素间的相互影响机制,进一步从中总结了储能电站安全管理经验,包括:限制电池本体充放电SOC区间以降低电池发热及规避过充过放风险;强化绝缘检测并进行定期维护检查,提升漏电断路装置、过电压保护装置、过电流保护装置等电气冲击保护装置的可靠性,降低外部激源冲击风险;建立合理可靠的发展趋势评估及安全状态早期预警机制,从源头降低电池系统热失控风险。

电池本体因素及运行环境因素属于长期演化因素,同时也是部分外部激源的产生原因,对其演化规律的分析、监测和评估有望实现系统安全状态的早期预警。通过储能系统多尺度多场耦合建模仿真并与实测数据动态交互,分析电池系统外部特征行为变化的内在诱因,诊断/辨识并定位潜在的安全风险,实现安全状态的早期预警。安全状态早期预警可以识别和定位安全状态劣化单元,通过有效的安全管控(包括状态劣化电芯的维护或更换)措施,干预电池安全特性的演化,避免电池发展到(临近)热失控阶段,有望实现锂电储能电站的“零事故”绝对安全。主动热管理措施(强化制冷、调控冷却介质流量等)将在储能系统安全管控、干预安全特性演化、阻断热失控蔓延等方面发挥作用。建议发展锂电储能系统安全风险早期预警技术/系统的同时,研发与储能系统相适配的主动热管理系统。

原标题:储能的黑洞:由北京储能电站爆炸与韩国储能电站事故中引发的安全问题思考!

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