“碳达峰、碳中和”目标的确定，对用能清洁化发展提出了更高的要求。储能技术能有效缓解电力供需矛盾且能顺应能源可持续发展策略，是保障清洁能源大规模发展和电网安全经济运行的关键。锂离子电池是一种材料体系灵活、技术进步快的储能电池，近年来在规模化储能技术^[1-3]实践和工程示范中得到了广泛应用，其技术革新对大规模储能技术领域的发展和创新起到了直接而积极的助推作用。然而，储能用锂离子电池在快速技术进步之下仍然存在一些尚待解决的技术问题，其中最为重要的是安全性问题。安全性问题的存在，使得电池安全^[4-6]隐患贯穿于技术体系的各个环节，对本体制造、系统集成和工程应用都会产生负面影响，已经成为制约其更大规模工程应用技术发展的瓶颈因素。

储能用锂离子电池安全性检测技术是保障电池安全性能提高的前提和基础。目前国内外学者针对锂电池安全检测技术也开展了一些研究，黄沛丰等^[7]基于事故树模型对电池火灾进行了相关研究，但未结合现行标准也没进行试验验证。陈志斌等^[8-9]对国内外电池安全标准进行了对比分析，但没经过试验验证便提出检测评价体系，正确性及可行性无法保障。王彩娟等^[10]对GB/T 36276—2018进行了研究，但只是分析了GB/T 36276—2018和IEC 62619—2017在适用范围和项目设置上的差别，未对具体标准条款进行试验验证。Eunji等^[11-14]研究了储能用锂离子电池热失控和火灾边界条件，但缺乏实证无法保证其合理性。上述研究验证了电池安全性检测技术预防电池火灾的有效性，但都没有解决储能用锂离子电池安全性检测主要面临的两个重要问题，一是储能应用环境下的电池安全问题触发因素和危害程度不确定，二是GB/T 36276－2018《电力储能用锂离子电池》作为我国首个储能电池国家标准，其可行性及适用性待验证，安全性检测评价方法和技术不完善。因此，急需开展储能应用环境下的电池安全问题触发因素和危害程度研究，同时对现行国家标准GB/T 36276—2018《电力储能用锂离子电池》中的具体规定进行详细的试验验证。

本文对储能锂电池安全事故触发因素进行了详细阐述，将火灾发生的必要因素基于火灾事故树原理层层分解，通过布尔代数算法进行模拟，提出储能电池安全检测项目，与国家标准GB/T 36276—2018进行对比分析，验证现行国家标准条款的科学合理性，最后基于试验平台对提出的测试项目进行试验验证，国内外首次验证了国家标准GB/T 36276—2018中安全测试条款的操作性和可行性，也为国家标准GB/T 36276新版本的修编提供依据和数据支撑。

所有的储能锂电池安全事故都是由一定的触发因素造成的，因此有必要系统地对触发因素进行分析，储能用锂离子电池安全事故触发因素主要分成三个方面。

储能电池系统规模庞大，系统包含的电池单体数量大，由外界因素或自身结构件材料失效、地震等不可抗力引起的灾害、在电池安装或运维过程中人为因素导致的安全隐患仍可能引发如碰撞、穿刺、机械冲击、振动等情形。因此必须要考虑电池跌落、挤压、针刺、振动、碰撞等机械触发因素对储能电池安全性能的影响。

储能系统电池数量庞大，电池安装排列紧密。以不同倍率充放电时，电池会以不同生热速率产生大量热量。由于排列位置的影响，中间区域一般聚集较多热量，不同温度下工作，加剧了电池之间电化学性能、健康状态的差异化。电池组单体电池存在较大温差，在连续的充放电过程中极易造成热积累，导致热失控的严重后果。此外，海拔、降雨、湿度、盐雾等地理环境的影响，也对电池的耐低压与抗腐蚀性提出了要求。综上可知，需要考虑储能电池对环境的抗滥用性。

储能系统实际运行中，整体控制系统和电池管理系统均设置了严格的使用电压范围和预警范围，因此出现严重过充电或过放电的概率较低。但是，考虑到规模化储能工程的应用将达到吉瓦量级，这一庞大的电池系统体量将导致电池的不均一性进一步放大，出现电池过充电和过放电的概率大幅增加。此外，如果所有控制及保护系统全部失灵的极端情况出现，产生的后果将难以估量。

基于以上安全事故触发因素，需进一步结合科学原理，借助模型推理出储能电池安全测试的关键项目。

基于对多种电池体系施加电学、机械以及环境激励后电池行为响应的认识，以及锂离子电池潜在的安全事故辨识，以锂离子电池火灾作为顶上事件，逐层往下分析，可以得到电池火灾的演化过程，并得到一系列诱使电池火灾甚至爆炸的基本事件。

基于事故树^[15-19]原理，由于火灾的发生必须有点火源、燃料和氧化剂三要素，因此，顶上事件是在电池系统外部环境中及内部反应产生的氧化剂、大量的燃料和足够高的温度作为点火源三者共存情况下发生的，如图1所示。

氧化剂的来源是正极材料的分解产物和空气中的氧气。燃料的主要组成包括可燃电解液本身、酯类醇类化合物以及烷烃气体等中间产物。高温来源一是电池本身暴露于火场或强的热辐射中，二是电池内部反应产热。氧化剂、燃料和点火源是相互耦合、互相促进，如果在某一滥用条件下产生作用，将有可能促使电池内部体系发生多米诺效应，引发电池火灾甚至爆炸。

将氧化剂、燃料和高温这三个中间事件进一步展开，基于锂离子电池内部材料组成与火灾动力学演化规律分解获得第三四层中间事件：电解液在足够高温度下发生分解反应；电解液与脱嵌的Li⁺的反应；在外界热源的加热下，导致负极表面的SEI膜发生分解，而SEI膜的分解促使负极嵌锂与电解液发生反应，反应放出的热量使得电池整体温度升高，继而又引发正极与电解液反应以及电解液的分解反应；在泄压阀破裂后，电池内部由电解液分解及汽化积聚的可燃性气体，反应放热产生的高温维持了副反应的持续进行。将上述中间事件进一步展开，拆解成不可再分的条件事件或基本事件，即得到共15个基本事件。构建火灾事故树如图2所示。

其中所有基本事件列出如下：

x₁：电池壳体破裂；x₂：有机电解液易汽化；x₃：电解液体系易分解放热；x₄：嵌锂与电解液在超过80 ℃条件下反应放热；x₅：SEI膜分解放热；x₆：SEI膜在超过80 ℃条件下催化电解液分解；x₇：负极析锂并参与副反应；x₈：电池周围环境中的氧化剂(如氧气)符合可燃浓度；x₉：正极材料分解产生氧气；x₁₀：外界热源加热；x₁₁：挤压撞击等机械损伤滥用；x₁₂：过充过放等滥用条件形成锂枝晶；x₁₃：充放电过程中非正常析锂；x₁₄：制造工艺不合格产生内短路；x₁₅：隔膜熔化致正负极接触。

以事故树结构为基础分析各基本事件的重要程度，采用结构重要系数的定义计算所有基本事件的结构重要系数：

将事故树使用布尔代数进行简化，然后代入顶上事件计算式中可以得到：

x_i的变化能引起顶上事件发生变化，结合x_i的结构重要系数定义计算，可以得到:

相应的基本事件对应于锂离子电池火灾事故发生的重要程度依次递减。

加强电池本质安全研究，通过主动防护隔绝可燃物与氧化剂接触，是降低电池火灾发生的有效方法。从事故树演化路径出发，通过组合基本事件，设计电池测试模拟工况。经过初步筛选，设计的模拟工况如表1。

2017年8月到2019年5月，韩国发生了23起储能电站起火事件，频繁的事故迫使其储能项目停运整顿。电池性能指标的模糊化、规划设计的简单化、消防设施的形式化成为当时电池储能电站整体质量和安全的主要隐患。因此，2019年1月1日颁布实施的GB/T 36276—2018《电力储能用锂离子电池》标准，对于规范产业发展、引导电池制造企业技术转型与升级、消除信息不对称具有重要的意义。GB/T 36276—2018《电力储能用锂离子电池》中对储能单体和模块安全测试的规定如表2所示：

可以看出基于事故树分析，通过布尔代数运算，按照火灾事故影响因素重要性提出的模拟测试项目，与GB/T 36276—2018《电力储能用锂离子电池》中规定的项目基本吻合，说明此项国家标准具有普适性和应用价值，可以作为试验的依据。

试验选取常见的磷酸铁锂、钛酸锂、三元及锰酸锂等体系的电池单体及电池模块进行。信息如表3、表4所示。样品照片如图3、图4所示。

将上节模拟提出的试验项目和GB/T 36276—2018《电力储能用锂离子电池》中的规定进行整合，提出安全试验项目总体规划见表5。

在国家电网公司特高压直流试验基地的电池中试线厂房，搭建一套以储能电池(10～100 Ah单体及kW/kWh级电池组)安全检测及评价为基本功能的试验平台，即储能电池安全性实验平台。对电池单体及模组整体进行电气、机械、环境安全性能试验。

针对储能应用条件下电池安全问题触发条件，已经确定安全性能检测项目。选取磷酸铁锂、钛酸锂、三元锂离子电池等体系的锂离子储能电池单体及电池模块，在储能电池安全性实验平台进行电池安全性能测试。根据表2，过充、过放、短路、挤压、跌落、盐雾、高空低气压、绝热温升试验、热失控、热失控扩散这10项试验依据GB/T 36276—2018《电力储能用锂离子电池》中的要求进行，针刺、振动、温度冲击、灼燃这4项依据其他现行国家标准中的规定进行。电学安全性能试验图形及结果如表6所示。

根据电学安全性能试验可知，搭建的平台能够支撑不同体系的电池完成现行国家标准规定的相关电学性能试验，并且能够准确检测出电池的鼓胀、着火等现象，整体对比可知，磷酸铁锂电池的电学安全稳定性优于三元锂电池。电池短路是导致电池热失控的关键因素之一，短路试验结果表明，100 Ah磷酸铁锂电池短路安全性表现较好，电池均发生微鼓胀，但需防止气体冲破外壳，造成大面积接触氧气进而发生燃烧。

机械安全试验图形及结果如表7所示。

根据机械安全试验结果可知，锰酸锂电池和三元锂电池的机械安全稳定性较差，按照现行国家标准进行针刺试验，均出现了着火燃烧现象。

环境安全试验图形及结果如表8所示。

盐雾试验过程中，三元电池外壳的焊接处略有锈迹，而磷酸铁锂电池未出现异常现象。热失控扩散试验后，80%的试验样品都稳定性较好，未发生热失控。发生热失控的电池在加热初期80 ℃时便出现了电压降，分析是因为采用的加热片局部温度过高，导致电池局部发生泄漏短路，从而引发热失控。

本文基于事故树分析工具，通过布尔代数运算，剥离并得到储能用锂离子电池火灾发生过程和主要致因，设计了电学因素、机械因素以及环境因素条件测试。结合储能系统本身的特点和复杂性，提出可能引起电池发生安全问题的检测模拟工况，对测试做整合与剔除，最终得到14种检测项目：过充、过放、短路、挤压、针刺、跌落、振动、盐雾、高空低气压、温度冲击、绝热温升试验、热失控、热失控扩散、灼燃。

选用三元锂、钛酸锂、磷酸铁锂及锰酸锂等不同体系的储能用锂离子电池，开展了针对10～120 Ah锂离子电池单体及kW/kWh级电池模块完成机械安全、电气安全及环境安全三类共14项安全触发因素的安全检测，证明储能电池安全性实验平台的测试能力满足现有国家标准和行业标准的测试要求，可开展储能电池单体和储能模块的典型安全性测试，可以覆盖市场现有常规储能系统单体和模块的相关测试。完成了储能电池安全性实验平台测试能力的实证工作，为锂离子储能电池安全性能检测试验能力及实证提供依据。

国内首次基于试验验证了国家标准GB/T 36276—2018《电力储能用锂离子电池》中锂离子储能电池安全性能测试方法，证明了现行国家标准GB/T 36276—2018《电力储能用锂离子电池》中的条款具有实用性和普适性，但针刺试验、振动试验、温度冲击试验、灼燃试验规范条款尚欠缺。这四个试验测试要求将在GB/T 36276新版本中进行补充完善，规范锂离子电池安全测试试验流程和操作方法。

通过本文中的试验及研究工作，积累试验数据，确定符合性判据，根据试验验证结果改进提升测试方法，支撑了国家标准GB/T 36276—2018《电力储能用锂离子电池》的修订工作，并形成GB/T 36276新版本中的具体规范条款，产生了有实用价值的原创成果，为锂离子储能电池规模化应用提供安全性能评价准则和依据。