郑州大学教授金阳：“提前10分钟”远非储能早期安全预警的极限

“我们目前还没有触碰到真正严峻的安全危机，问题还会源源不断地涌来，储能行业仍要经历一个大浪淘沙的过程。”

储能安全，作为行业发展的“紧箍咒”，向来为业内关注的焦点话题。

据CNESA Datalink数据显示，行驶在“快车道”上的储能行业，上半年再次呈现出了强劲的爆发式增长。截至2023年6月底，国内已投运电力储能项目累计装机70.2GW，同比增长44%，预计全年新增装机将超过去十年总和。

然而在储能行业“狂飙突进”的另一面，自2017至今，国内外已发生超百起电化学储能安全事故。仅今年9月，全球多地就集中爆发包括昆士兰州首批独立大型电池储能系统在内的近十起储能起火及爆炸事故。

锂电池作为目前世界上装机规模最大的电化学储能技术，其安全隐患仍未完全破除。在储能产业空前火爆、繁荣的当下，想要维持行业的健康发展，把安全摆在首位是历史的必然。

电化学储能早期安全预警的概念，也因之愈发受到全行业的广泛关注。

针对行业热切关注的储能安全议题，星球储能所邀请到郑州大学电气与信息工程学院教授、电网储能与电池应用研究中心主任金阳作为本期专访嘉宾，就行业面临的主要安全困境及储能事故早期预警的未来趋势展开深度对话。

金阳教授作为国内早期安全预警系统理论的首倡者之一，在学界率先提出利用氢气探测锂电池内部化学变化，最快可将热失控发生的预警时间提前10分钟，实现对锂电池热失控隐患的精准判断。

金阳教授带领团队研发的基于声、气、光等事故前兆现象的综合探测技术，推出储能安防及预警系统并已在全国多个电化学储能电站实现应用，对解决电化学储能安全问题具有重要意义。

“我们目前还没有触碰到真正严峻的安全危机，问题还会源源不断地涌来，行业仍要经历一个大浪淘沙的过程。”

金阳教授表示，未来随着储能真正开始大规模并网应用，无论是工商业储能还是大储，都会有新的安全问题爆发出来，早期安全预警的价值也会更加凸显。

1星球储能所

您作为在国际上首次提出利用氢气探测锂电池内部化学变化的研究者，为何一早就注意到了储能早期安全预警检测的重要价值？通过声、气、光等现象进行热失控预警是如何实现的？

在18年、19年的时候，储能行业还没有现在这么火爆，但为数不多的储能电站在运行过程中就已经出现过几起小型的事故。

所以，国网江苏省电力公司在当时发起了一个针对电化学储能电站消防安全设计的科研项目。其中就包括电池热失控的特性研究、电池管理系统（BMS）设计，以及如何制定并落实储能安全相关的行业标准等。

作为参与单位，我们主持了电池热失控特性研究这一课题。通过模拟储能舱的环境，装设了大量的传感器，希望探测到锂电池在热失控前期是否会呈现出一些特殊的现象，方便对其进行表征。

也就是在这个过程当中，我们发现既有的烟感、温感等消防探测技术，在实际应用中是相当落后的，基本要等到电池已经着火才会发出信号。危险和损失已经造成，这时再报警的意义已经不是很大了。

然而在此之前，有许多如气体、声音等信号要远早于电池起火被发出。如果能够做好这些信号的探测，就有机会实现在锂电池热失控真正发生之前实现早期预警。我们对这一发现感到非常兴奋，团队在接下来的几年为此展开了大量的深度研究。

至于如何通过声、气、光等特征现象实现储能安全早期预警，我们仍要从理电池热失控的特性谈起。

锂电池一旦受到热冲击或电滥用等内部损伤，其电池内部就会发生一些副反应，而且这些副反应均是不可逆的，例如锂枝晶的析出、产气或鼓包等现象。

其中，有的信号可能会被电池管理系统（BMS）捕捉到，并发出报警信号从而及时制止。但是有的信号则可能成为漏网之鱼，如果不加以制止，其气体产生量增多、内部气压升高，就会导致电池安全阀的爆破。

我们也是在实验当中发现，锂电池安全阀爆破所发出的这种细微的声音非常具有特质。尽管不同厂家的电池品牌不同，但声音爆破的原理一致，使得其产生声音的频谱信号也是一样的，而这也就是我们所谓声音信号的来源。

而在气体层面，锂枝晶的析出会与电池中的凝剂发生“自发的脱氢反应”，从而产生氢气。当氢气聚集到一定程度，就可以通过电池的安全阀或其他破损处、漏液处泄放出来，并很快地在整个储能舱中蔓延开来，并被探测器所探测到。

当然，电化学热失控除了产生氢气，还可能会产生很多其他的可燃性气体。但我们面向早期预警，就要着重强调“早”的概念，考虑到谁是最早产生且能够最早被探测到的。

氢气产生的量并不一定是最多的，但它一定是最早的，正满足这样的先决条件。

最后，目前我们针对“光”的研究可以主要分为两种。

一种，是激光的主动探测。当电池膨胀、变形、温度升高或者产气时，就会对我们所发出的激光信号造成遮挡或形变，可以作为表现电池本身出了问题的手段。

另一种，则是通过可燃性蒸汽的图像识别，以判定它在储能舱中的聚集、扩散，并找到泄漏源，从而发出预警信息。

2星球储能所

早期预警技术的普遍应用对于储能行业有着怎样的意义？

早期预警这一概念出现的时间并不是很长，由于安全事故逐年增加，才越来越受到行业的重视。

早期预警究竟应该如何定义，其实没有一个非常公式化的描述，只停留在一个概念的阶段，但其对于储能系统安全性的意义非同小可。

一方面，能够很好解决储能系统火灾的高效灭火剂目前还没有得到工程化应用。一旦电池着火就很难灭掉，所以在前期或早期进行阻断，不让其向着不可收拾发展，这是非常重要的。

另一方面，由于早期预警概念的不固定，整个市场上对于早期预警的宣传也是比较混乱的。有许多厂家甚至号称，提前一至两个月实现事故预警，这其实是不科学的。

所谓的早期预警，一定是事故即将发生，针对于事故征兆而采取有效措施。所谓的提前一两个月，其实更倾向于电池全生命周期的“延寿”或能量优化，是一种实时、动态的健康管理策略，严格意义上并不是储能安全的早期预警。

我认为的早期预警，一定是电池内部已经出现了问题（材料或结构方面损伤）。我们要像体检一样，实时观测人体的病变信号，以便及时展开治疗。一旦早期预警信号发出，消防或者电池管理系统就要紧张起来了，因为如果不加以控制热失控就会到来。

能够在热失控早期揪出“病号电池”，避免发生爆发性的热失控故障，进而危害整个储能系统，就是早期预警最大的意义。

3星球储能所

据您观察，储能安全早期预警的行业发展现状及实际应用情况如何？

关于早期预警的研究，都要以电池的智能传感检测为基础，在获取了足够的信号以后再做出预警的判断逻辑。

这样的检测，国内有许多研究所和公司机构都在做，包括声信号、光信号、气信号，很多企业都在钻研。

然而目前，我们许多的研究成果仍然是叫好不叫座，尽管行业能够认可这种方法的新颖和有效，但在实际工程应用当中却不一定会被接受。

原因就在于，早期预警系统在储能系统当中的应用仍面临两个比较大的阻碍，即工程应用中，传感装置的成本和它与整个储能系统的兼容性和匹配性问题。

当前，氢气传感器（尤其是高精度检测的探头）的价格都还比较昂贵，寿命却可能比较低，只有两年的时间，与储能系统的寿命严重不匹配，即便安装也要面临后期的更换问题，无论是成本还是实际应用都难免造成很大的麻烦。

这也是我们目前的研究重点，既要做到有效、有用，又要让它能够被整个储能系统所接受，以最少的探测器数量和最低的成本，与整个储能工程做到通信匹配、供电匹配、寿命匹配、安装方式匹配，才能真正实现普遍推广，不然就还是停留在实验室的研发层面。

当前，储能系统、电芯的价格都被压得非常之低，价格战仍在持续，如果国家标准不做强制要求，企业也很难增加成本、自降优势，这也是我们必须要经历的过程。

但当行业走过混乱的阶段，真正把安全问题重视起来，早期预警的价值便能够真正得到体现。

4星球储能所

您认为所谓“提前10分钟”发出预警是否已接近安全预警的极限？

未来针对于锂电池热失控的早期预警，随着研究的深入是否还有可能会出现声、气、光现象检测之外的新形态？

10分钟还远没有达到早期安全预警的极限，只是我们当前已经能够实现的效果指标。

电池外部的信号往往比内部的信号晚得许多。在我们所提及的这些参量以外，锂电池内部的一些参量在热失控前也会表现出异常。

我们目前就在开发利用电池在线阻抗测量去反映电池内部异常的情况，通过现在的实验证明，也已经能够实现差不多提前20分钟以上预警的效果，只不过在工程应用方面，还需要更多的完善，才能够真正应用。

锂电池热失控研究的上限，还没有被充分发掘出来。随着研究的深入，对于电池理解的深入，早期预警的时间都有可能再次得到提前，但正如我此前所说，你仍然要考虑它真正的工程应用。

如果能够把传感器深入到电芯中，我们甚至可以实现提前半个小时或者更早发出信号。然而，想要实现电池内部的改造，就势必要从电池厂商做起，企业未来是否会愿意投入成本去做这件事。

实际落地的另外一个问题是，这么早其实也没有必要。

当电池出现损伤，倘若我能够在收到信号时便及时阻断，提前40分钟知道和提前30分钟、提前20分钟知道的区别就不大了。

我们没有必要为了追求极限而付出更大的成本，反而对实际应用起不到什么帮助。

5星球储能所

当前行业对于储能安全问题有这样一种令人不安的观点，即国内储能装机量很高，但实际应用率较低，以至于许多安全问题还没有真正暴露出来。事实上，也并非所有储能项目都有条件应用当前最先进的预警技术。

您认为储能行业是否已经在技术的加持下走出了问题最多的时期？还是说伴随储能项目的大规模实际应用，真正严峻的安全危机还在后面，甚至会有一个阶段性的集中爆发？

我们目前还没有触碰到真正严峻的安全危机，问题还会源源不断地涌来，行业仍要经历一个大浪淘沙的过程。

正如您所言，现在不少储能系统粗制滥造、同质化严重，施工方面也存在不规范的问题，最重要的就是现阶段很多储能的应用率非常低。

许多业主只是为了满足配储要求，之后便长时间闲置不用，甚至业主本身都有可能知道，这样的储能系统具有很大的安全风险而不敢用。

未来随着储能真正开始大规模并网应用，无论是工商业储能还是大储，这些问题都会爆发出来。

根据电池性能的衰退规律。新装机电池的一致性都非常好，但随着时间流逝，无论你用也好、不用也好，其内部自发劣化的过程始终都在发生，而这个劣化过程会加剧一致性的下降。

储能系统的使用越到后期，发生事故的概率也可能会越高。

不过，这也不一定就是一件坏事。一方面，事故率的增高会使得大家对安全及预警方面更加重视，从而促进早期预警装置的安装，推动行业在未来实现更高的安全。

另一方面，这个大浪淘沙的过程，也能够把产品质量不合格、仅靠低价竞争“混日子”的企业筛选出去。

从长期来看，储能要实现高质量的发展和安全的实际应用，这个挑战仍然是比较巨大的。或许还需要至少几年的时间，来让大家去接受这个过程。

6星球储能所

当前的储能行业在许多环节仍存在显著的安全漏洞。您既参与过相关行业标准的制定，也深谙锂电池的物理化学性质。以您的观点，当前储能安全面临的主要困境有哪些？

现在安全方面的很多问题，我个人以为追根溯源还是科学研究的落后。

行业需求发展太快，研究却跟不上。之前，储能安全的研究并不火热，随着近几年储能事故增多，整个行业对安全的问题才越来越重视，但相应的高校研究所力量其实远远不够。

很多企业号称已经解决或者是有很好的解决方案，实际上还是经不起推敲。

现在就存在一个看起来十分矛盾的现象：多数企业都称自己的系统很安全，但行业又面临着储能安全的巨大威胁。

面对这个崭新的问题，我们和其他国家处在同一个起跑线上，甚至其他国家还没有我们走的远。安全问题涉及到的不只是电池，还涉及到整个系统的电化学材料安全等多方面，它是一个很复杂的系统工程问题，需要做大量的实验去进行验证才能得到一些结论。

研究没有跟上，国家相关部门在制定标准的时候，就没有参考的依据。所以在很多层面都陷入争论，并且各方观点都是大相径庭。

比如现阶段储能消防该用哪种灭火剂，用水还是气体，那么在这样的这种环境下，国家不可能强制去做要求，也就无法制定行之有效的标准。

所以首先要解决研究的问题，各家储能企业还有高校研究所，一定要加紧事故诱因、有效防范等储能安全相关的研究，为如何研发高效的预警系统、管理装置以及灭火系统提供参考。

把这些问题解决了，国家也会有可参考的依据，这样相关标准才能够得到完善和推广。

虽然对储能安全进行一个细致、长期的研究，需要投入大量的资金，再加上关于电池的安全试验难度较大，很多企业并没有这个能力。

但就总体而言，这样的情况也在逐渐改善，国家相关部门目前已设立了很多储能安全相关的项目。

未来，随着越来越多项目的实施成果落地，储能安全相关的标准肯定也会愈发完善。

7星球储能所

您提到由锂电池引发燃烧和爆炸事故并不能用传统的消防手段处理，这也是业界的共识。针对规模日益庞大的储能项目，怎样的事故处置才是更为合理且可行的？如何才能不浪费早期预警为消防处置争取到的宝贵时间？

水天然灭火，是一个非常好的灭火介质。但是用在储能领域这种特殊环境下，水反而可能会造成次生灾害，甚至会加剧燃烧造成更大的损害。

如果只是电池、模组局部出现事故且没有彻底蔓延，我们更倾向于通过气体灭火剂扑灭。如果到了后期无法控制，气体灭火剂已经完全无效了，就要用大量的水去淹没。

现在储能工程的招标也会有这种考量，水喷淋和气体灭火剂同时配备，其中气体灭火剂是通过管道式的精准灭火处置前期故障，后期实在防不住就直接上水，这是事故处置的第一点。

第二点，从消防和预警的关系来看。实际上，早期预警和消防安全是两个互相独立的系统，消防系统是一个很成熟的体系，有着自己的启动策略和相关标准，只要按照要求执行就好。

而就早期预警的职能来看。一方面，检测到事故信号后，及时进行断电操作，成功进行阻断，只要把危险消除掉，早期预警的任务就完成了。另一方面，如果危险无法排除，就要为储能消防争取更多时间，要把预警时间提前。

严格来讲，电池的BMS才是真正的第一道防线。只要估算和测量准确，BMS可以排除90%的故障，不需要早期预警介入。

但正因BMS的发展水平也存在一定限制，不可能做到完全准确，难免会有一些“漏网之鱼”，作为第二道防线的早期预警系统便可以发挥作用，将故障探测率提升到99%以上。

未来，作为第一道防线的BMS和作为第二道防线的早期预警系统可能会合二为一，相当于衍生出来一种增强型的BMS，同时具备基本探测功能和早期探测功能。

8星球储能所

据我们的了解，您和您的团队也发明有兼具高能量密度、低成本、高安全性等特点的新型固态电解质熔融锂金属电池体系。

当前储能行业对于固态电池的研究也非常火热，起码半固态电池的量产和应用在未来几年都可能会是全行业瞩目的焦点。您认为从半固态电池到全固态电池的商业化应用离我们是否还比较遥远？其加速发展的有利因素及当前的主要障碍是什么？

相比全固态电池，半固态的发展现在已经比较成熟了，也有很多装车的例子，但实际上还没有真正的走入大众的视野，包括在储能方面的应用也是如此。

全固态就更难了，目前还存在很多科学研究上的问题亟待解决，离实际应用还有一定的距离。

现在的电池之所以有很多安全隐患，主要还是因为一致性的问题。

电池出厂时都是一样的，可应用时间长了之后，其内部的微小差异就会爆发出来。所以，固态电池真正的应用还要在其能够实现规模化、一致化量产之后。

半固态电池里面仍有部分电解液，其实也还有起火的可能性，如果做出来的半固态电池一致性比液态电池还差，安全事故更多，那其实就没有必要去成半固态电池了。

我们追求固态电池说到底还是因为安全性的问题。除此之外就是看好其高能量密度。对于电动汽车来说，能够实现保证安全的情况下保障续航，这肯定也是发展固态电池的重要的动力之一。

不过对于储能而言，对于能量密度的要求并不是很高。

现在的各种技术路线，比如说钠离子电池、水系电池等，能量密度虽然没有锂电池那么高，但是安全性要更优，尤其是像水系锌离子电池，安全性非常高，也不存在资源的问题，只是在能量密度上还比较低。

所以说现在还处在一个百家争鸣、百花齐放的状态，各个电池体系之间互相之间都在竞争，至于最后谁能够真正的脱颖而出，一统天下，目前还看不出苗头，也不一定真的是固态电池。

9星球储能所

最后，从电池本质安全，到热失控早期预警、事故发生时的消防处置，好像已经暂时穷尽了我个人对解决储能安全事故的想象。

但正如经由您才了解到安全预警原来还可以这样做，就“新思路”而言，您认为储能行业还能为安全问题做些什么样的准备？为构建足够牢靠的安全新防线，还有哪些值得努力的方向？

电池本体做得好，可以解决后面的大部分应用问题。

我们现在做的这些所有的研究，归根到底的症结都在于，电池的本征安全没有办法实现，后期就不得不采用各种方法去进行弥补。

不过当前的电池生产工艺已经达到了一个非常高的水平，除非有新型电池体系来形成替代，不然很难实现根本的突破。

我目前比较看好但还没有应用起来的一个未来方向，就是“智能电池”。

智能电池将传感器和电池融合在一起，能够使我们在早期发现电池内部材料层面的故障。第一时间形成最早的阻断，也从根本上提升了电池本征安全的水平。

当然，阻碍也有不少。

一方面，植入式传感器还没有达到一个能够产业化的水平。传感器的寿命如果不够长，就会拖累电池的寿命；而在植入的过程中，也会面临着类似供电、通信接线等各种比较复杂的问题，这都需要从工程方面进行解决。概念虽然先进，但真正实施起来难度也非常大。

另一方面，这个概念一定要被电池厂商所接受。厂商需要做出相应的工艺的调整，实现与传感器的兼容；如果成本增加太多，电池厂商也肯定不会接受。

尽管困难重重，但是我们都知道，这是一个未来的发展趋势。包括像华为在内的国内电池龙头企业，其实都在做这方面的研究。如果大家能够集中精力在这一块进行攻关的话，我觉得还是会取得一个非常好的效果，

智能电池的应用，首先面对的肯定是一些对电池成本不敏感的极端领域，比如说高寒或高气压地区，或者军用乃至外太空领域。

未来，再随着成本的降低，慢慢向民用推广，我觉得这是它的一个发展趋势。