国内著名的北京“4.16”储能电站火灾事故调查结果公布，引发了储能圈广泛的讨论。

锂电池因其工作电压高，能量密度大，自放电率低，无记忆效应等优势被广泛应用于交通、储能等领域，前景广阔。然而，在锂电池开发和利用的过程中火灾事故频发，造成了严重的人员伤亡和巨大的经济损失，极大的影响了锂电池的安全使用。锂电池火灾事故的触发要素在于电池在机械（如针刺、挤压、碰撞）滥用、热滥用、电滥用等滥用条件下会导致热失控——即温度不可逆的上升现象。这在客观上又限制了锂电池的安全使用。

结合北京市应急管理局发布的本次事故调查报告，谈谈锂电池安全相关的基础研究和注意事项，关键信息提炼出来：

起火电池：方形磷酸铁锂电池（容量等未知）

电解液成分：EMC+EC+含磷无机盐

认定方形电池起火原因：电池单体发生内短路故障。

早期灭火器灭火出现复燃（注意此时未断电），断电后灭火仍出现复燃现象（此时部分电池已经发生热失控，磷酸铁锂电池热失控时表面温度大于500度，因此热量会传递到周围相邻的电池，形成热失控的扩展和蔓延，即热失控传递。）

灭火器类型：未知

清华电池安全实验室对电池热失控气体测试成分检测结果为：EMC（电解液成分，VOC可挥发性气体）、H2、CH4、CO、CO2等，这些气体较多，就火灾调查而言并不用涉及到一些有毒气体，可以发现前面可燃气体成分较多。

起爆点：北楼储能室内

爆炸前气体浓度：约为31%

气体总量：不少于280立方米

点火源：北楼储能室内产生的电气火花

产生电火花原因：vent gas（锂电池喷出气体）的烟雾从室外地下电缆沟扩散至北楼内，进入高压（标称720V）直流带电状态的电池系统，导致继电器（位于电池柜底部）动作产生电气火花。

重要的时间节点如下：

4月16日11时50分许，四川华伦电力工程有限公司谢霞凌等5人到南楼查看控制室装修施工进度时，发现南楼西电池间南侧电池柜起火冒烟，随即使用现场灭火器处置，谢霞凌电话通知福威斯油气公司负责人刘博。

12时13分许，刘博带领陈元中等人赶到现场并从南楼、北楼拿取灭火器参与灭火，因明火被扑灭后不断复燃，刘博指派陈元中到北楼储能室切断交流侧与储能系统的连接并停用光伏系统。

12时17分许，刘博拨打电话报警。

12时20分许，刘博进入北楼告知集美家居公司值班电工罗广军断开 6 千伏配电柜与储能设备之间的开关。

13时40分许，集美家居公司电工刘占革到达北楼值班室，与罗广军到6千伏配电室确认配电柜与储能设备之间的开关已断开。期间，大量烟雾从南楼内冒出，并不时伴有爆燃。

13时45分许，刘占革到院内查看，发现刘博与消防员在向室外地下电缆沟内注水，随即进入北楼6千伏配电室查看，发现电缆管沟内充满白烟，未见积水，闻到刺激性气味。

14时13分左右，北楼发生爆炸。

应急救援时间节点：

12时24分，消防救援人员到达现场，发现南楼西电池间电池着火，并不时伴有爆炸声，东电池间未发现明火，现场无被困人员，随即开展灭火救援，并在外围部署水枪阵地防止火势蔓延。

14时13分16秒，北楼发生爆炸，造成1名值班电工遇难、2名消防员牺牲、1名消防员受伤。

23 时 40分，明火彻底扑灭，并持续对现场冷却 40 小时。

4月18日16时21分，现场清理完毕。

结合这个事故案例，谈一谈这里面值得研究的地方和目前研究比较热门的点。

1. 锂电池热失控机理。

最先起火的方形磷酸铁锂电池为什么会发生燃烧呢，原因就是电池单体发生内短路故障引发电池热失控从而起火燃烧。目前对于内短路的研究其实很多，成果也很多，有实验研究、模拟研究、锂枝晶生成调控动力学研究等，清华的欧阳明高院士团队还发现没有内短路照样有热失控的现象，增进了对锂电池的热失控理解。这块研究其实不是很好做。主要在于实验研究已经差不多了，更重要在于建立模型预测热失控、开发方法调节内短路等。不同滥用条件下的热失控中，电滥用的较难理解，SOC在热失控中的具体作用现在说的不太明白。

2. 锂电池产热、产气研究。

那个方形的磷酸铁锂电池为什么会发生起火燃烧呢？原因就在于内短路导致电池热失控从而产生了大量的热和可燃气体。这块研究其实着重在于锂电池这个受限空间内在不同温度下电池材料的反应时序、产气时序和热量释放的理解。这块其实材料的产热已经研究的很多了，产气研究的也比较多，但是如果真正的理清楚这个时序还是有些困难，因为锂电池内部的材料反应是在时间和空间维度下高度重叠的，解耦出每个反应对应出的产热放气过程仍然具有一定挑战性。尤其将其与热失控早期的产热放气现象结合，需要很不同的方法，这对监测预警非常有帮助。

3. 锂电池热管理技术。

还是那个方形的磷酸铁锂电池为什么会发生起火燃烧呢？原因就在于内短路导致电池热失控从而产生了大量的热和可燃气体。其实如果在电池正常使用的过程中把温度控制在一个合理的范围就可以使的电池保持良好性能。目前的技术有液冷、风冷、热电冷却、热管冷却和PCM相变材料热管理技术等。这个热管理技术还是很难的（懂得都懂，这里的难是解决问题很难），目前的热管理技术还是实验和模拟都有，对于储能电站而言，冷却相当重要，并且除了冷却，通风技术也很重要（这两个分别对应热失控是的放热产气，就是带走热量，减少可燃气体浓度）。这次储能电站南楼失火可燃气体运移到北楼储能室积聚发生爆炸，可见通风重要性。

4. 锂电池的热失控及扩展（传播）。

还是那个方形的磷酸铁锂电池，它的热失控到热量传播使得周围电池也发生热失控从而引发级联（大规模）热失控，这就是热失控扩展，也叫热失控传播。目前，对于方形、圆柱形、软包电池热失控传播实验研究和数值模拟研究都比较多了，取得了一些进展，但是比较有用的规律还是比较少，如果能够搞清楚热失控扩展规律，就能够为形成救援规范提供必要的理论依据。

5. 锂电池火灾探测。

还是那个方形的磷酸铁锂电池，为什么直到起火了都没有预警，更没有应急联动的通风装置。一般锂电池的火灾探测等到起火了就很晚了，重点都在于热失控早期的火灾探测，也就是基于温度、可燃气体、电压、电阻等信号的热失控探测。这块问题还是比较难，比较复杂的。因为锂电池的反应太快了。圆柱型如18650满电锂电池的反应几乎是瞬间的，坚硬的外壳把所有信号封闭住了。方形和软包可能还有一些信号可能出来，可能慢点。

6. 锂电池火灾和爆炸动力学。

方形电池起火它的峰值温度是多少，热释放速率是多少，质量损失多少，内部压力多大等？北楼储能室爆炸，可燃气体的成分、比例和浓度是多少，爆炸极限是多少，最小点火能是多少，爆炸后状态如何，压力多大，能量多大？这块的内容其实比较多的，首先就是关于火灾的燃烧实验，目前测温度、热释放速率、质量损失率的太常见了，逐渐的一个标配就是测量气体，测量爆炸压力和内部压力，电池由磷酸铁锂到高比能的三元锂，容量和模组不断扩大。再就是爆炸现象，可燃气体的成分、比例和含量多大，产生爆炸的压力多大，爆炸后的能量多大，不仅需要实验研究，也需要数值和模拟研究。目前的燃烧实验做的很多，宏观的火灾和微观的放热产气联系并没有多少体现。

7. 锂电池监测预警技术。

为什么方形电池热失控孕育的时候没有预警，着火了也没有预警，北楼那么多可燃气体积聚也没有预警，更没有冷却通风稀释惰化联动?如果能够在热失控早期就探测到有热失控孕育发生发展的趋势，此时预警，断电冷却通风，采取相关措施，可能就会得到很好的解决。但是热失控的早期预警技术挑战还是比较大的，目前市面上对磷酸铁锂用VOC预警和烟雾预警的比较多。温度信号和电压、电阻信号可能都没有气体信号快，目前发展基于气体信号的预警技术还是比较有前景的。难点还是在于对热失控早期过程的全面理解。

8. 锂电池热失控抑制和灭火技术。

锂电池在热失控早期的时候温度如果可以降下来是可以抑制内部反应的（这看起来和热失控是开启一系列不可逆放热反应的过程有违背，但是需要指明的是，热失控早期内部材料发生反应和热失控开启是两码事！早期内部材料反应并不是热失控！这里需要仔细想），那么此时加上抑制技术，目前用的较多的就是细水雾对热失控进行抑制，加各种乱七八糟的添加剂，或者水凝胶等含水量保水量比较大的材料。这块的研究着重在于寻找新型灭火介质、开发电池组装工艺和切断火三角。我们发现调查中说，工作人员拿灭火器去灭灭掉后又复燃，这是锂电池火灾一个非常常见的现象。原因在于，大规模锂电池明火熄灭后，仍要持续降温，因为本质上锂电池热失控开启后就不断的放出热量释放可燃气体，可燃气体积聚，热量积聚（类似阴燃），明火熄灭后无法切断内部反应，并且坚硬的外壳阻挡了灭火介质的进入，锂电池表面上看是气体火灾，实质上内部反应供应气体的材料反应根本没有被切断，因此复燃是迟早的。目前的灭火介质有水、细水雾（含添加剂的细水雾）、二氧化碳、七氟丙烷、全氟己酮等，能够灭气体火的对灭锂电池火灾效果都很明显，但是问题在于内部反应仍在持续，也就是说，还需要冷却抑制内部的反应，因此中科大有团队开发了二次灭火技术，其实本质上就是先灭气体火，后冷却降温，其实这里面问题挺多的，要跳出这个思维体系，重新去思考锂电池灭火关键。这个问题，非常难！

9. 锂电池安全材料和安全装置。

干脆不让锂电池起火呢？不就解决了锂电池的安全问题？很难！首先锂电池自身就具有材料的热安全性，材料本身就易燃如电解液，正极材料活性本身就很大如三元锂，经过工艺化成分容后成为可循环充放电的电池，副反应很多，且对电池本身也有损伤，目前认为要研究隔膜，增强其强度，开发新型电解液或电解质添加剂，开发高浓度电解液但是又不是固态电池。里面问题还是很多，当然，去看看清华何向明团队，在这方面做了很多的工作。还有安全装置，比如泄压阀、比如CID、比如PTC、比如极耳等等，这个方面做工作也挺有意义。比如以前电池会爆炸，现在都是喷射火，就是泄压阀起了作用啊。还有值得一提的是，清华车辆学院这次有个本科生特将候选人，搞得就是锂电池安全自毁材料。你看？安全问题还是很多的，安全专业学生的专业性如何体现呢？

10. 其他关于锂电池的动力学问题。

锂电池的主动安全技术是从材料和设计方面去解决去安全问题，而被动安全技术侧重于电池发生问题之后的控制和减损措施。主动安全技术的难点在于不可能既要求高比能量实现快充又要求安全性。被动安全技术难点在于电池包这个受限空间实现成本和方法竟优。

参考文献：

1. Deng, J.; Bae, C.; Denlinger, A.; Miller, T., Electric Vehicles Batteries: Requirements and Challenges. Joule 2020, 4 (3), 511-515.

2. Bai, J.; Wang, Z.; Gao, T.; Bai, W.; Wang, J., Effect of mechanical extrusion force on thermal runaway of lithium-ion batteries caused by flat heating. Journal of Power Sources 2021, 507, 230305.

3. Liu, P.; Liu, C.; Yang, K.; Zhang, M.; Gao, F.; Mao, B.; Li, H.; Duan, Q.; Wang, Q., Thermal runaway and fire behaviors of lithium iron phosphate battery induced by over heating. Journal of Energy Storage 2020, 31, 101714.

4. Zhu, Y.-l.; Wang, C.-j.; Gao, F.; Shan, M.-x.; Zhao, P.-l.; Meng, Q.-f.; Wu, Q.-b., Rupture and combustion characteristics of lithium-ion battery under overcharge. Journal of Energy Storage 2021, 38, 102571.

5. Wang, Q.; Ping, P.; Zhao, X.; Chu, G.; Sun, J.; Chen, C., Thermal runaway caused fire and explosion of lithium ion battery. Journal of Power Sources 2012, 208, 210-224.

6. Liu, L.; Feng, X.; Zhang, M.; Lu, L.; Han, X.; He, X.; Ouyang, M., Comparative study on substitute triggering approaches for internal short circuit in lithium-ion batteries. Applied Energy 2020, 259, 114143.

7. safetyobserver；安全科学与工程专业学科前沿