現有儲能電池的電芯本質安全技術包括設計、組裝、事故預知、電芯管理、熱失控遏制等5部分。

對于改進電芯設計，主要的技術方向為改進電極、電解質、隔膜以及電池結構本身，最具代表性的工作是固態電池以及水系電池的研發。這兩類電池用非易燃材料替換了原有的易燃有機電解液，避免了因電解液分解而產生的大量熱量及易燃物，使電芯燃燒風險降低，提高了電芯的安全性。

將安全劑注入到電池內部的同時抽出電池原有的電解液，改變電池電解液危險屬性。同時，低溫安全劑注入溫度較高的電池內部可以促進對流傳熱，相比于主要依靠電池外殼熱傳導的液冷散熱而言效率更高。

因此，水系電池、固態電池是具有代表性的提高電芯本質安全的技術路線，安全劑注入是改進電芯本質安全的新興方向，后文將對這三者分別進行探討和展望。

固態電池、水系電池以及安全劑注入這三種技術路線的特點及發展方向見表2和表3

1.水系電解液電池

商用儲能電池的有機電解液成分一般為LiPF6與EC、DMC、DEC等有機溶劑的混合物，如圖5所示。這類電解液極易受到大于200℃的高溫影響而導致分解，產生CO、H2、碳氫化合物等易燃易爆物質，這是電芯安全的重大隱患。

水系電池使用水作為電解液溶劑，相比于易燃易爆的有機電解液，水系電解液在不過充的條件下一般不可燃，因此保證了電芯具有更高的安全性，但電池的工作電壓也較低（＜2v），導致水系電池能量密度遠低于有機電解液的鋰離子電池。另外在過充情況下水會電解，釋放氧氣和氫氣，也有可能導致爆炸事故的發生。

雖然水系電解液不可燃，但是并不代表水系電池沒有燃燒風險。若有持續高溫使得電解液中的水分蒸發，留下碳鏈聚合物和沉淀晶體，并釋放大量易燃氣體導致電池燃燒風險大大增加。在低溫環境，水作為電解液溶劑通常會結冰導致電池失效。

基于此，添加熱穩定性更高的添加劑是保持電解液極端條件性能的策略之一。

改進電極材料也是研究熱點，常用的錳電極在高溫下發生的歧化反應(Mn3+→Mn2++Mn4+)使電極表面錳的平均化合價降低，導致劇烈溶解。

2.固態鋰離子電池

鋰離子電池在經歷不同濫用條件后往往會在負極上產生尖銳的鋰枝晶并刺穿隔膜(圖7)，導致電芯內部短路，短時間內產生大量熱，引起電池冒煙、燃燒甚至爆炸。

應用具有優異穩定性和阻燃性的固態電解質的固態/半固態鋰離子電池是解決電池本質安全問題的方案之一。固態電解質較高的機械強度可有效抑制鋰枝晶的生長，同時避免了液態電解液泄漏的風險，從而提高電池的安全性。

研究人員比較了相同規格的磷酸鐵鋰電池在有機電解液和固態電解質中熱穩定性的差異，發現有機電解液的最大自熱速率為固態電解質的30倍。此外，固態電池減少了集流體的數量，使電池的封裝設計更簡單，減少了封裝過程中的雜質侵入。

但這并不意味著固態鋰離子電池在本質安全性上趨于完美，由于PEO類固態聚合物的離子電導率較差，近年來很多學者投入高電導率的石榴石型或硫化物型無機電解質的研究中，但鋰枝晶可能會沿著晶界進入石榴石型多晶固體導致電芯內部短路，硫化物型電解質在空氣中受潮會形成有毒的硫化氫或二氧化硫，同時在相對高的電壓下工作會快速分解產生易燃氣體。

如圖8所示，雖然固態電解質在提高鋰離子電池的本質安全和簡化封裝結構方面具有很大的優勢，但其本身的低電導率等問題不容忽視。

因此，綜合利用有機聚合物和無機材料的優點，制備與傳統電解液離子電導率相當的固態聚合物-無機復合電解質是目前固態鋰離子電池的研究目標。

另外，用鋰金屬電極代替傳統的石墨負極所形成的固態電池是固態鋰金屬電池，雖然此類電池引入了較高穩定性和阻燃性的固態電解質，但選用了金屬鋰作為電極材料，其經受高溫時易粉化為鋰顆粒物，使得燃燒風險增加，故此類電芯是否符合電芯本質安全概念仍有待商榷。

3.安全劑注入

如何在使用有機電解液的同時也保證電池的本質安全應用？有人提出了一種電池安全劑注入的安全維護方法。安全劑注入是指電芯發生異常后抽出內部電解液及氣體的同時向內部注入安全劑的過程。

如圖9所示，安全劑注入是遏止電芯熱失控的創新方法之一。

這種方法具有以下優勢：

①溫度較低的安全劑持續注入異常高溫電池內部，與電解液之間的對流散熱促使電池溫度迅速降低；

②抽出電池的電解液與內部氣體可使得電池反應速率迅速減緩[36]；

③安全劑會對電池內部的化學反應起到抑制作用。例如，鋅鎳液流電池通過不斷循環更換電解液來保證電池容量的極慢衰減，將正在運行的電池中的電解液全部抽出后，電池反應也隨之停止。

類似的是，Hofmann等使用泵抽出高于正常內部溫度5℃的軟包鋰離子電池內的氣體，隨著電池內部壓力的下降，電池內部溫度也隨之下降，阻止了熱失控發生。

對于安全劑種類而言，雖然常用的七氟丙烷氣體被廣泛用于電池配電室的消防工作，但直接將其注入電池內部的效果尚未驗證；

若考慮將冷卻水持續注入電池內部，雖然溫度較低的水可以帶走大量熱量，但水會與LiPF6發生一系列反應(圖10)，同時水的注入會與電池富鋰的負極反應放出大量的熱，還有可能導致電池內部電芯間互相短路，導致降溫效果并不明顯。

此外，安全劑注入系統中注入時間的設置仍停留在仿真層面，有待進一步測試應用。若能了解安全劑與電池內部物質的反應機理，同時證明其能將正負電芯短路產生的歐姆熱降到最低，安全劑注入不失為一種防止熱失控發生的本質安全方法。

另外，安全劑注入并不局限于電芯層面，對于電池模組以及集裝箱而言，亦可采取安全劑注入的方式以遏止事故擴大。于模組層面，安全劑注入指將安全劑注入模組內，而非直接注入模組內電芯，與廣泛運用于模組內的水冷散熱方法類似；

于集裝箱層面，其原理類似于第四代核電站內的堆芯安全保護措施，發生核事故時，大量安全劑漫灌事故部位，以遏止事故進一步擴大。

總結

本文介紹了實現大容量儲能電芯本質安全的方式：水系電池、固態電池以及安全劑注入。

但本質安全電芯的實現方式并不限于上述3種方式，不斷優化的電池組裝工藝、不斷改進的電芯管理系統以及更加嚴格的出廠電芯品控等方式仍是電芯本質安全的發展熱點。

改進單一的材料或結構的確可以增進電芯的本質安全性，但并不意味著只能采用一類方法優化本質安全性能，同時，本質安全技術仍需與傳統安全技術結合，以減少在劃定本質安全范圍之外的運行事故影響，降低運行事故中的人員安全風險。

在電池結構和材料創新的基礎上，結合傳統安全手段，融合各類安全措施，借助愈加精確化、智能化的管理技術，大容量儲能電池系統將得到越來越廣泛的安全應用。

原文始發于微信公眾號（艾邦儲能與充電）：實現大容量儲能電芯本質安全的三種方式