鋰離子電池儲能站的火災和爆炸風險：分析和預防策略

隨著鋰離子電池在電化學儲能電站的廣泛應用，火災和爆炸事故也日益頻繁。為了更深入探討這些事故的根本原因，一項研究分析了2017年11月至2024年9月期間全球發生的90起涉及鋰離子電池儲能電站的火災和爆炸事件。

分析重點在於四個關鍵面向：電池類型、事故發生國家、電站運作狀態和事故成因。結果表明，三元鋰電池更容易引發火災和爆炸事故，其發生率是磷酸鐵鋰電池的2.5倍。

這些發現向儲能產業傳達了一個明確的訊息：隨著鋰離子電池的不斷廣泛應用，優先考慮以安全為中心的設計和材料選擇變得至關重要。

在此背景下，固態電池展現出巨大的發展潛力。其固有的更高熱穩定性以及更低的洩漏或燃燒風險，使其尤其適用於大規模儲能應用。

選擇本質更安全的電池技術是確保儲能電站全生命週期安全運作的基石。這正是Super Power所有產品設計和技術創新的出發點。

事故統計結果及原因分析

對事故的統計分析表明，火災和爆炸有時會先後發生。因此，本研究將事故後果分為三類：火災事故、爆炸事故和火災爆炸事故，如圖1所示。

圖1 事故中電池類型分佈

在已知電池類型的 85 起儲能站事故中，有 61 起是由三元鋰電池引起的，約佔 71.8%。

三元鋰電池的熱穩定性較低，更容易發生熱失控。它們也存在更高的火災風險，熱失控蔓延速度更快，並且在熱失控時會釋放出更多的可燃氣體。

綜合來看，這些因素表明，就熱穩定性、火災危險性和爆炸可能性而言，三元鋰電池比磷酸鋰電池的風險要高得多。

與報告中討論的高風險液態電解質三元電池不同，Super Power的核心產品採用固態技術。透過使用固態聚合物電解質，該公司從根本上消除了傳統液態體系的易燃性隱患。因此，這些電池本身就具有阻燃性。

研究表明，陰極材料的熱穩定性對整體安全性起著決定性作用。在Super Power的設計中，陰極材料與固態電解質協同工作，形成更寬廣的熱安全窗口。這種協同作用顯著提高了熱失控閾值，並增強了系統在極端條件下的穩定性。

● 國家統計與原因分析

圖2 按國家/地區劃分的事件分佈分析

統計分析表明，韓國、美國、中國、澳洲、法國、德國、比利時、瑞典、英國和新加坡都曾報告電化學儲能站發生火災和爆炸事故。

對這些事故中所用電池類型的分析表明，美國超過一半的儲能電站事故涉及三元鋰電池。相較之下，中國和歐盟國家的大多數儲能電站都配備了磷酸鐵鋰電池，反映出不同地區在安全偏好和技術應用方面的差異。

在這些國家中，韓國的事故數量最多，共34起，佔所有事故的37.8%。調查報告指出，事故原因有多種，其中電池缺陷是主要因素之一，其他因素還包括馬達保護系統不足、運作環境惡劣、安裝疏忽以及儲能設施管理不善。

另一個關鍵因素在於電池本身的安全性能。

在韓國，三元鋰電池應用廣泛，這主要是因為它們佔據了國內主要電池製造商產品組合的主導地位。然而，這些電池的熱穩定性相對較低，而且其管理系統並非總是可靠。

電池管理或預警系統的缺陷可能導致操作人員無法及時發現異常情況，使潛在的危險不受控制地升級。

● 運行狀態統計與原因分析

儲能電站通常經歷四個關鍵階段：建造、調試、運作和維護。每個階段都存在各自的風險。系統整合、施工品質、維護程序或安全管理的缺陷都可能造成不容忽視的潛在危險。

圖 3 事故中 EESS 的狀態統計

事故報告揭示了一個清晰的模式。在韓國，大多數電化學儲能電站事故發生在充電過程或充電後立即發生的閒置階段。這表明，不當的充電控制和熱管理可能是造成事故的重要原因。

數據顯示，事故總數為72起，佔所有記錄事故的80.0%，且大部分發生在正常運作期間。如此高的比例表明，運行安全仍然是當前儲能係統面臨的最嚴峻挑戰。

以下因素可能導致電化學儲能電站運作過程中發生事故：

1. 長期運轉的累積效應；

2. 高溫環境的影響；

3. 系統負荷波動；

4. 預警系統可靠度不足；

5. 高荷電狀態 (SOC) 導致過充電。

超級大國的儲能係統是圍繞著一套全面的主動防禦架構而建構的。

● 三層電池管理系統 (BMS) 設計可對每個電芯進行獨立、即時的監控。實際上，這意味著安全監控真正做到了無盲區，能夠更早、更精確地檢測出諸如內部短路或電壓突變等故障。

● 系統的液冷散熱管理同樣至關重要。 「冷卻系統故障」通常被列為最高風險因素，而Super Power正面應對了這個問題。精心調校的液冷網路可將電池溫度維持在最佳範圍內，即使在惡劣環境下也能確保穩定的散熱。這可以防止熱量積聚，並維持系統的整體穩定性。

● 過充是另一個潛在的危險。透過電池管理系統 (BMS) 和電源轉換系統 (PCS) 的協同控制，電池的荷電狀態 (SOC) 得到嚴格管理。這種設計從源頭阻止了過充，從而保護系統免受電池故障最常見誘因之一的影響。

Super Power 的 CTC（電池到容器）整合技術不僅提高了能量密度，還引入了前所未有的安全冗餘水準。

● 模組化設計和實體隔離。 CTC方案在實現更高電池整合度的同時，採用了創新的隔熱材料。每個模組內部都形成了一個有效的隔熱屏障。即使單一電池發生嚴重故障，系統也能有效阻斷熱量向相鄰電池的傳遞，從而從物理上切斷熱傳遞鏈。

● 雙重滅火系統。每個超級動力儲能貨櫃均配備瓦斯滅火系統和水浸式滅火系統。氣體滅火系統可迅速控制初期火勢，而水浸式滅火系統則在極端情況下提供最終保障。兩者協同作用，確保徹底撲滅任何殘餘風險，並在任何情況下都保障安全。

● 事故原因及促成因素分析

電化學儲能站的安全問題本質上是系統性的，而事故通常是由多種因素相互作用引起的。

圖4 電化學電站事故原因統計圖

設備相關因素主要源自於電池本身，以及馬達保護和冷卻系統，包括絕緣問題。電池特有的問題通常包括製造缺陷或自然老化。環境因素也會產生影響。例如，水滲入或附近鍋爐爆炸都可能引發鋰離子電池起火。

圖5 鋰離子電池儲能係統安全事故的誘發因子及其交互作用

然而，人為因素仍然是電化學儲能電站事故的主要原因。在分析的90起事故中，有38起直接或間接與人為失誤有關，佔所有事故的43.3%。這表明，儘管採取了技術和環境方面的安全措施，操作人員的行為和管理實踐對於整個系統的安全仍然至關重要。

1. 人為操作失誤：電化學儲能站的工作人員可能缺乏足夠的培訓，導致操作不當或忽視安全程序等錯誤。

2. 安全管理體係不完善：儘管各國不斷完善儲能電站運作各階段的法規，但儲能技術的快速發展往往超越了有效安全管理系統和監管的建立速度。這可能導致員工忽視安全隱憂。

3. 緊急應變延遲：發生緊急狀況時，操作人員應變技能不足或行動不及時可能會加劇事故的嚴重性。

4. 安全意識不足：操作人員和管理人員的安全意識程度低下，可能導致忽視潛在風險，增加事故發生的可能性。

基於電化學儲能電站事故的統計分析，根據15個已識別的風險因素，評估了90起事故的機率和嚴重程度。採用定量和定性分析相結合的方法評估事故的機率和嚴重程度，並運用德爾菲法確定嚴重程度等級。

圖 6 EESS 風險因子的風險等級

在 15 個風險因素中，有 5 個被認定為高風險：儲能係統冷卻系統故障、電池過充、消防設施不足、BMS/PCS/EMS 異常以及極端環境溫度。

● 預防措施

為解決已確定的高風險因素，應在以下五個關鍵領域提高電化學儲能站的整體安全性：

加強冷卻系統的可靠性，優化電池系統措施以防止過充，改善預警和安全監控技術，推進消防技術，優化消防策略和戰術。

此外，為加強儲能係統的系統安全性，應專注於電池單體的設計和製造。應完善安全管理體系，並實施強制性標準，以防止損壞的電池進入儲能電站。應加強對超早期預警技術的研究力度，以便提前數週預測事故。應開發高效能、冷卻、防爆和絕緣的專用滅火劑，並進行電池組級火災試驗。

避免採用高風險電池技術，轉向本質安全、系統可靠的解決方案，是儲能產業永續發展的唯一途徑。 Super Power 的產品理念與此願景完美契合，並提供經過全面驗證的安全解決方案，涵蓋從材料設計到系統整合、從智慧預警到最終保護的各個層面。