江森自控公司工程消防產(chǎn)品經(jīng)理Derek Sandahl日前對(duì)如何防止鋰離子電池?zé)崾Э夭⒁l(fā)火災(zāi)的最佳方法進(jìn)行了分析和探討。他在發(fā)表的一篇文章中指出，安全管理鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)該成為儲(chǔ)能行業(yè)頭等大事。
如今很多國(guó)家都制定了雄心勃勃的減排目標(biāo)，以減少全球碳排放量。由此產(chǎn)生的對(duì)可再生能源的投資正在推動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）行業(yè)的快速增長(zhǎng)。根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)的預(yù)計(jì)，2018年到2026年，全球儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模將以35％復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。
鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)如今成為全球一種主流的儲(chǔ)能技術(shù)。根據(jù)目前的發(fā)展速度，到2026年，全球電池儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到230億美元。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)和數(shù)據(jù)中心選擇采用鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的原因很多，其中包括成本可承受性。一方面，鋰離子電池具有很高的能量密度，并且在容量方面具有更高的擴(kuò)展?jié)摿ΑＡ硪环矫?，其自放電率也相?duì)較低，不到鎳基電池的一半。并且鋰離子電池幾乎不需要維護(hù)，也不需要定期放電。
盡管鋰離子電池具有很多優(yōu)點(diǎn)，但也有一些局限性。鋰離子電池需要采用復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)（BMS），以確保它們?cè)谑芸貐?shù)（如電壓、溫度和充電狀態(tài)）范圍內(nèi)工作，這些參數(shù)會(huì)隨著電池的性能退化而調(diào)整。如果管理不當(dāng)，或者電池遭受其他形式的濫用，可能導(dǎo)致電池故障的風(fēng)險(xiǎn)，增加熱失控和火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。
而主要采用鋰離子電池的行業(yè)廠商需要一種新的、全面的解決方案，以有效檢測(cè)電池故障并進(jìn)行干預(yù)，以防止熱失控以及引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)。
熱失控的危險(xiǎn)
如果電池遭受濫用，可能會(huì)導(dǎo)致熱失控，從而釋放有毒和可燃?xì)怏w。單個(gè)電池單元中發(fā)生的熱失控會(huì)迅速擴(kuò)散，從而導(dǎo)致相鄰電池單元的熱失控級(jí)聯(lián)。熱失控可能最終導(dǎo)致災(zāi)難性的火災(zāi)事件。
眾所周知，鋰離子電池如果起火很難撲滅。采用氣體抑制和噴淋消防系統(tǒng)根本無(wú)效。雖然這樣的消防系統(tǒng)可以減緩火勢(shì)的增長(zhǎng)和熱量，但一旦熱失控開始，還不足以完全撲滅火勢(shì)。撲滅這類火災(zāi)的最有效方法是在數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的時(shí)間內(nèi)采用大量的水撲滅。在許多地方，尤其是那些偏遠(yuǎn)的地方或缺水的地方，難以采用這種做法，甚至是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
不幸的是，儲(chǔ)能行業(yè)最近幾年發(fā)生了許多這樣的火災(zāi)事件。2017年11月，部署在比利時(shí)布魯塞爾附近的一個(gè)并網(wǎng)連接的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生的火災(zāi)產(chǎn)生大量有毒煙霧，迫使當(dāng)?shù)鼐用裨诩叶惚堋?019年4月，APS公司在亞利桑那州運(yùn)營(yíng)的一個(gè)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)并導(dǎo)致爆炸，造成當(dāng)?shù)?名消防員受傷。在這些火災(zāi)發(fā)生后，美國(guó)能源開發(fā)商如今將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全作為重點(diǎn)。而在2017年至2019年之，韓國(guó)發(fā)生了28起電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)，導(dǎo)致522個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署被暫?；蛉∠?br />
了解電池故障的各個(gè)階段有助于找到解決方案
為了防止此類事件再次發(fā)生，了解電池故障的各個(gè)階段至關(guān)重要。可以劃分為預(yù)防和控制區(qū)域，并且分為四個(gè)階段：
1.預(yù)防區(qū)域
第一階段：電池濫用。
在第一階段，熱量、電氣或機(jī)械故障會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞，從而導(dǎo)致電池溫度和壓力升高。
第二階段：產(chǎn)生易燃的廢氣。
隨著電池溫度和壓力的升高，易燃?xì)怏w從電池中排出。這是必須采取措施避免熱失控和火災(zāi)的關(guān)鍵點(diǎn)。
第三階段：熱失控
熱失控標(biāo)志著防護(hù)區(qū)域的盡頭和遏制區(qū)域的開始。溫度迅速上升幾百度，并產(chǎn)生出煙霧。正是在這一點(diǎn)上，災(zāi)難性的失敗迫在眉睫。
2.控制區(qū)域
第四階段：起火
電池在熱失控后開始起火。鋰離子電池機(jī)架的結(jié)構(gòu)可以最大程度地提高電池的部署密度，但同時(shí)也可以使火勢(shì)迅速蔓延。在起火之后，火勢(shì)很容易轉(zhuǎn)移到相鄰的電池和建筑材料上，并將變得無(wú)法控制。
仔細(xì)觀察這四個(gè)階段，可以發(fā)現(xiàn)早期干預(yù)是防止熱失控的理想時(shí)刻。在理想情況下，應(yīng)在預(yù)防區(qū)域內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，但這需要在第一或第二階段進(jìn)行檢測(cè)。如果在開始發(fā)生熱失控之前可以檢測(cè)到廢氣，并及時(shí)斷開發(fā)生故障的電池，則可以避免火災(zāi)危險(xiǎn)。
盡早干預(yù)可防止熱失控
正如分析鋰離子電池故障的四個(gè)階段所顯示的那樣，檢測(cè)到的最佳預(yù)警信號(hào)之一是廢氣的釋放。根據(jù)定義，廢氣是電池化學(xué)反應(yīng)過程的副產(chǎn)物。當(dāng)鋰離子電池開始出現(xiàn)故障時(shí)，這個(gè)化學(xué)過程會(huì)從電池單元中產(chǎn)生電解質(zhì)蒸汽。這種廢氣是在電池單元損壞發(fā)生后不久以及熱失控開始前幾分鐘產(chǎn)生的。
鋰離子電池發(fā)生故障最終也會(huì)產(chǎn)生可檢測(cè)到的煙霧，但是只有在熱失控開始之后才可以檢測(cè)到。通過檢測(cè)廢氣的存在，可以及時(shí)處理受影響的電池以防止熱失控。
綜合解決方案使早期干預(yù)成為可能
有效的預(yù)防鋰離子電池風(fēng)險(xiǎn)解決方案采用監(jiān)視和參考傳感器，可以持續(xù)檢查電池機(jī)架中是否存在鋰離子電池產(chǎn)生的廢氣。參考傳感器將周圍環(huán)境空氣數(shù)據(jù)提供給控制器，同時(shí)監(jiān)視電池機(jī)架內(nèi)的傳感器以獲取與鋰離子電池附近空氣有關(guān)的數(shù)據(jù)。這些傳感器可以檢測(cè)濃度低至百萬(wàn)分之一（ppm）的鋰離子電池的廢氣。
這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)防范系統(tǒng)旨在斷開電池連接，并在不到五秒鐘的時(shí)間內(nèi)防止熱失控。但是，即使在斷開電池之后，仍可能存在易燃?xì)怏w。除非該區(qū)域足夠大或可以進(jìn)行通風(fēng)，否則這些廢氣仍可能引起火災(zāi)。
這是進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)和滅火發(fā)揮作用的地方。如果使用惰性氣體，氣體滅火系統(tǒng)可用于在釋放出廢氣后對(duì)其空間進(jìn)行惰化。這可以幫助降低廢氣燃燒的可能性。惰性系統(tǒng)的釋放點(diǎn)需要仔細(xì)考慮才能有效，并且可能需要與其他系統(tǒng)進(jìn)行集成。
在規(guī)定的設(shè)計(jì)濃度下，消防系統(tǒng)可用于幫助保護(hù)電池免受火源（例如A類材料）和其他電子組件故障的傷害，它們可能會(huì)成為點(diǎn)燃電池的熱源。
將廢氣檢測(cè)與火災(zāi)檢測(cè)和抑制相結(jié)合，可提供所需的早期干預(yù)，以幫助防止電池出現(xiàn)熱失控和發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)。該系統(tǒng)不需要與電池單元進(jìn)行電氣或機(jī)械接觸，本質(zhì)上是對(duì)現(xiàn)有消防系統(tǒng)的升級(jí)，使其能夠在帶電的工作環(huán)境中工作。
預(yù)計(jì)在未來五年內(nèi)，使用鋰離子電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)量將會(huì)顯著增加。由于鋰離子電池可能會(huì)發(fā)生故障和火災(zāi)，而且往往沒有什么預(yù)警，因此，在最壞的情況發(fā)生之前，檢測(cè)并防止熱失控比以往任何時(shí)候都更為重要。將早期的廢氣檢測(cè)與火災(zāi)檢測(cè)、抑制或惰化系統(tǒng)相結(jié)合，可以提供一種整體解決方案，該解決方案可以提供所需的早期預(yù)警，加強(qiáng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全。
如今很多國(guó)家都制定了雄心勃勃的減排目標(biāo)，以減少全球碳排放量。由此產(chǎn)生的對(duì)可再生能源的投資正在推動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）行業(yè)的快速增長(zhǎng)。根據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)的預(yù)計(jì)，2018年到2026年，全球儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模將以35％復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。
鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)如今成為全球一種主流的儲(chǔ)能技術(shù)。根據(jù)目前的發(fā)展速度，到2026年，全球電池儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到230億美元。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、太陽(yáng)能發(fā)電場(chǎng)和數(shù)據(jù)中心選擇采用鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的原因很多，其中包括成本可承受性。一方面，鋰離子電池具有很高的能量密度，并且在容量方面具有更高的擴(kuò)展?jié)摿ΑＡ硪环矫?，其自放電率也相?duì)較低，不到鎳基電池的一半。并且鋰離子電池幾乎不需要維護(hù)，也不需要定期放電。
盡管鋰離子電池具有很多優(yōu)點(diǎn)，但也有一些局限性。鋰離子電池需要采用復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)（BMS），以確保它們?cè)谑芸貐?shù)（如電壓、溫度和充電狀態(tài)）范圍內(nèi)工作，這些參數(shù)會(huì)隨著電池的性能退化而調(diào)整。如果管理不當(dāng)，或者電池遭受其他形式的濫用，可能導(dǎo)致電池故障的風(fēng)險(xiǎn)，增加熱失控和火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。
而主要采用鋰離子電池的行業(yè)廠商需要一種新的、全面的解決方案，以有效檢測(cè)電池故障并進(jìn)行干預(yù)，以防止熱失控以及引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)。
熱失控的危險(xiǎn)
如果電池遭受濫用，可能會(huì)導(dǎo)致熱失控，從而釋放有毒和可燃?xì)怏w。單個(gè)電池單元中發(fā)生的熱失控會(huì)迅速擴(kuò)散，從而導(dǎo)致相鄰電池單元的熱失控級(jí)聯(lián)。熱失控可能最終導(dǎo)致災(zāi)難性的火災(zāi)事件。
眾所周知，鋰離子電池如果起火很難撲滅。采用氣體抑制和噴淋消防系統(tǒng)根本無(wú)效。雖然這樣的消防系統(tǒng)可以減緩火勢(shì)的增長(zhǎng)和熱量，但一旦熱失控開始，還不足以完全撲滅火勢(shì)。撲滅這類火災(zāi)的最有效方法是在數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天的時(shí)間內(nèi)采用大量的水撲滅。在許多地方，尤其是那些偏遠(yuǎn)的地方或缺水的地方，難以采用這種做法，甚至是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
不幸的是，儲(chǔ)能行業(yè)最近幾年發(fā)生了許多這樣的火災(zāi)事件。2017年11月，部署在比利時(shí)布魯塞爾附近的一個(gè)并網(wǎng)連接的鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生的火災(zāi)產(chǎn)生大量有毒煙霧，迫使當(dāng)?shù)鼐用裨诩叶惚堋?019年4月，APS公司在亞利桑那州運(yùn)營(yíng)的一個(gè)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)并導(dǎo)致爆炸，造成當(dāng)?shù)?名消防員受傷。在這些火災(zāi)發(fā)生后，美國(guó)能源開發(fā)商如今將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全作為重點(diǎn)。而在2017年至2019年之，韓國(guó)發(fā)生了28起電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)，導(dǎo)致522個(gè)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署被暫?；蛉∠?br />
了解電池故障的各個(gè)階段有助于找到解決方案
為了防止此類事件再次發(fā)生，了解電池故障的各個(gè)階段至關(guān)重要。可以劃分為預(yù)防和控制區(qū)域，并且分為四個(gè)階段：
1.預(yù)防區(qū)域
第一階段：電池濫用。
在第一階段，熱量、電氣或機(jī)械故障會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞，從而導(dǎo)致電池溫度和壓力升高。
第二階段：產(chǎn)生易燃的廢氣。
隨著電池溫度和壓力的升高，易燃?xì)怏w從電池中排出。這是必須采取措施避免熱失控和火災(zāi)的關(guān)鍵點(diǎn)。
第三階段：熱失控
熱失控標(biāo)志著防護(hù)區(qū)域的盡頭和遏制區(qū)域的開始。溫度迅速上升幾百度，并產(chǎn)生出煙霧。正是在這一點(diǎn)上，災(zāi)難性的失敗迫在眉睫。
2.控制區(qū)域
第四階段：起火
電池在熱失控后開始起火。鋰離子電池機(jī)架的結(jié)構(gòu)可以最大程度地提高電池的部署密度，但同時(shí)也可以使火勢(shì)迅速蔓延。在起火之后，火勢(shì)很容易轉(zhuǎn)移到相鄰的電池和建筑材料上，并將變得無(wú)法控制。
仔細(xì)觀察這四個(gè)階段，可以發(fā)現(xiàn)早期干預(yù)是防止熱失控的理想時(shí)刻。在理想情況下，應(yīng)在預(yù)防區(qū)域內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，但這需要在第一或第二階段進(jìn)行檢測(cè)。如果在開始發(fā)生熱失控之前可以檢測(cè)到廢氣，并及時(shí)斷開發(fā)生故障的電池，則可以避免火災(zāi)危險(xiǎn)。
盡早干預(yù)可防止熱失控
正如分析鋰離子電池故障的四個(gè)階段所顯示的那樣，檢測(cè)到的最佳預(yù)警信號(hào)之一是廢氣的釋放。根據(jù)定義，廢氣是電池化學(xué)反應(yīng)過程的副產(chǎn)物。當(dāng)鋰離子電池開始出現(xiàn)故障時(shí)，這個(gè)化學(xué)過程會(huì)從電池單元中產(chǎn)生電解質(zhì)蒸汽。這種廢氣是在電池單元損壞發(fā)生后不久以及熱失控開始前幾分鐘產(chǎn)生的。
鋰離子電池發(fā)生故障最終也會(huì)產(chǎn)生可檢測(cè)到的煙霧，但是只有在熱失控開始之后才可以檢測(cè)到。通過檢測(cè)廢氣的存在，可以及時(shí)處理受影響的電池以防止熱失控。
綜合解決方案使早期干預(yù)成為可能
有效的預(yù)防鋰離子電池風(fēng)險(xiǎn)解決方案采用監(jiān)視和參考傳感器，可以持續(xù)檢查電池機(jī)架中是否存在鋰離子電池產(chǎn)生的廢氣。參考傳感器將周圍環(huán)境空氣數(shù)據(jù)提供給控制器，同時(shí)監(jiān)視電池機(jī)架內(nèi)的傳感器以獲取與鋰離子電池附近空氣有關(guān)的數(shù)據(jù)。這些傳感器可以檢測(cè)濃度低至百萬(wàn)分之一（ppm）的鋰離子電池的廢氣。
這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)防范系統(tǒng)旨在斷開電池連接，并在不到五秒鐘的時(shí)間內(nèi)防止熱失控。但是，即使在斷開電池之后，仍可能存在易燃?xì)怏w。除非該區(qū)域足夠大或可以進(jìn)行通風(fēng)，否則這些廢氣仍可能引起火災(zāi)。
這是進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)和滅火發(fā)揮作用的地方。如果使用惰性氣體，氣體滅火系統(tǒng)可用于在釋放出廢氣后對(duì)其空間進(jìn)行惰化。這可以幫助降低廢氣燃燒的可能性。惰性系統(tǒng)的釋放點(diǎn)需要仔細(xì)考慮才能有效，并且可能需要與其他系統(tǒng)進(jìn)行集成。
在規(guī)定的設(shè)計(jì)濃度下，消防系統(tǒng)可用于幫助保護(hù)電池免受火源（例如A類材料）和其他電子組件故障的傷害，它們可能會(huì)成為點(diǎn)燃電池的熱源。
將廢氣檢測(cè)與火災(zāi)檢測(cè)和抑制相結(jié)合，可提供所需的早期干預(yù)，以幫助防止電池出現(xiàn)熱失控和發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)。該系統(tǒng)不需要與電池單元進(jìn)行電氣或機(jī)械接觸，本質(zhì)上是對(duì)現(xiàn)有消防系統(tǒng)的升級(jí)，使其能夠在帶電的工作環(huán)境中工作。
預(yù)計(jì)在未來五年內(nèi)，使用鋰離子電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)量將會(huì)顯著增加。由于鋰離子電池可能會(huì)發(fā)生故障和火災(zāi)，而且往往沒有什么預(yù)警，因此，在最壞的情況發(fā)生之前，檢測(cè)并防止熱失控比以往任何時(shí)候都更為重要。將早期的廢氣檢測(cè)與火災(zāi)檢測(cè)、抑制或惰化系統(tǒng)相結(jié)合，可以提供一種整體解決方案，該解決方案可以提供所需的早期預(yù)警，加強(qiáng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安全。
