研究背景
近年來，國內(nèi)外發(fā)生的電力儲能系統(tǒng)火災(zāi)引起大家對鋰電池儲能系統(tǒng)的普遍關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界范圍內(nèi)鋰電池儲能火災(zāi)安全事故在過去的一年內(nèi)發(fā)生超過30起，造成了重大的財產(chǎn)損失。因此，在鋰離子電池成本降低到商業(yè)化的拐點后，儲能系統(tǒng)的消防安全問題就成為制約鋰離子電池電力儲能大規(guī)模推廣的關(guān)鍵瓶頸。
重點內(nèi)容導讀
1、鋰離子電池火災(zāi)特征分析
1.1、鋰離子電池火災(zāi)機理分析
鋰離子電池從結(jié)構(gòu)上看，密閉的空間存儲大量的能量，具有危險的本質(zhì)，而“熱失控”是導致鋰離子電池安全隱患的根本原因，有機小分子引發(fā)的副反應(yīng)的鏈式反應(yīng)導致電池熱失控的發(fā)生。
鋰離子電池的熱失控機理包括三個階段：
第一階段：鋰電池熱失控初期階段。由于內(nèi)外因素引起電池內(nèi)部溫度升高至90~100℃，負極表面的SEI鈍化層分解釋熱量引起電池內(nèi)部溫度快速升高；當溫度達到135℃時，隔膜開始融化收縮，正極與負極之間相互接觸造成短路，從而引發(fā)電池的持續(xù)放熱。
第二階段：電池鼓包階段。在溫度約為250-350℃時負極C6Li或析出的鋰與電解液中的有機溶劑發(fā)生反應(yīng)，揮發(fā)出可燃的碳氫化合物氣體(甲烷﹑乙烷)，伴隨大量產(chǎn)熱。
第三階段：電池熱失控，爆炸失效階段。在這個階段中，充電狀態(tài)下的正極材料與電解液繼續(xù)發(fā)生劇烈的氧化分解反應(yīng)，產(chǎn)生高溫和大量有毒氣體，導致電池劇烈燃燒甚至爆炸。
1.2、鋰離子電池電力儲能系統(tǒng)火災(zāi)特征及蔓延特征
儲能電池系統(tǒng)由十幾組電芯以串并聯(lián)方式構(gòu)成電池箱，接著電池箱進行串聯(lián)連接成電池組串，隨后電池組串通過并聯(lián)集成系統(tǒng)安置在一個儲能電池柜內(nèi)。
火災(zāi)蔓延過程，主要是由于首節(jié)電池單體熱失控，通過熱傳質(zhì)、熱輻射引發(fā)相鄰電池單體相繼發(fā)生熱失控，最終導致整個鋰電池儲能系統(tǒng)的發(fā)生火災(zāi)事故。
鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)具有與眾不同的特點：（1）燃燒激烈﹑熱蔓延迅速；（2）毒性強﹑煙塵大﹑危險性大；（3）易復(fù)燃﹑撲救難度大。
2、鋰離子電池儲能消防安全分析
2.1鋰離子電池儲能系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范適用性不足
目前全球范圍內(nèi)已發(fā)布的一系列關(guān)于鋰離子電池儲能系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)的相關(guān)標準，大多處于制定和摸索階段。針對鋰離子電池儲能系統(tǒng)，從安全保障體系的角度，還需加大鋰離子電池安全性技術(shù)研究力度，建立與電力儲能應(yīng)用相適應(yīng)的標準體系。
2.2、缺乏針對性的消防滅火劑
現(xiàn)有的滅火劑如干粉滅火劑對鋰電池滅火幾乎沒有效果；鹵代烷1301﹑CO2﹑七氟丙烷只能撲滅明火，無法從根本上抑制火災(zāi)發(fā)生，往往稍后會出現(xiàn)復(fù)燃，不具備降溫和滅火的雙重功能，對鋰電池的火災(zāi)不具有適用性；水噴淋系統(tǒng)技術(shù)比較成熟，降溫滅火效果明顯，成本低廉且環(huán)境友好，但耗水量大，撲救時間長，撲滅火災(zāi)后將導致儲能電站內(nèi)的電池短路損壞而無法正常使用。
因此，針對鋰電池，特別是大型儲能鋰電池系統(tǒng)的火災(zāi)隱患進行滅火防護，設(shè)計開發(fā)新型高效、防復(fù)燃滅火劑及滅火劑釋放系統(tǒng)和裝置，有利于鋰離子電池儲能系統(tǒng)的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。
3、鋰離子電池儲能消防系統(tǒng)技術(shù)需求分析
3.1建立科學合理的消防測試模型及技術(shù)規(guī)范
目前，現(xiàn)有的鋰電池消防滅火關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)參差不齊，國內(nèi)外也尚未創(chuàng)建關(guān)于鋰電池火災(zāi)的測試模型，缺乏權(quán)威的技術(shù)評價規(guī)范，無法判斷鋰電池火災(zāi)事故的撲救效果。因此，需要從根本上厘清儲能系統(tǒng)鋰電池火災(zāi)特性，通過建立科學合理的消防測試模型進行鋰電池火災(zāi)模擬實驗，為鋰電池火災(zāi)防控裝置的測試及消防安全技術(shù)效果的全面評估提供技術(shù)支撐，從而來指導技術(shù)評價標準的建立與完善，對實際的應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。
3.2、設(shè)計開發(fā)新型滅火劑
針對現(xiàn)有消防滅火劑的不足，開發(fā)新型消防滅火劑具有緊迫性。結(jié)合鋰電池熱失控及熱蔓延規(guī)律，設(shè)計靶向性的滅火劑，實現(xiàn)精準降溫；通過對鋰電池滅火劑的藥品劑量、噴射方式、噴射壓力、噴射時間、滅火濃度、滅火效率等功能參數(shù)進行優(yōu)化，實現(xiàn)新型高效通用型滅火劑的設(shè)計。
此外，新型滅火劑的環(huán)保性能非常重要，是其能否被推廣使用的另一項關(guān)鍵指標。需要考慮滅火劑施放后是否產(chǎn)生有毒有害產(chǎn)物造成污染、是否對電氣系統(tǒng)造成腐蝕或降低絕緣性。
3.3、集成化消防系統(tǒng)研究
鋰電池消防系統(tǒng)不是彼此獨立的單元，而是一個高度集成化的整體，各個組件間的集成對于整體系統(tǒng)功能的實現(xiàn)有著至關(guān)重要的影響。因此，消防系統(tǒng)各個部件需要集成研究，整體協(xié)同操作，使其相互無縫配合運行，發(fā)揮最佳效應(yīng)，是提升消防系統(tǒng)系統(tǒng)靈活性和安全性的重要手段。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)的推廣，新型儲能模式與消防方案增多，消防系統(tǒng)也將逐漸趨向集成化、智能化。
結(jié) 論
電化學儲能系統(tǒng)在我國能源消費結(jié)構(gòu)調(diào)整和可再生能源比例提升方面具有重要意義，針對現(xiàn)有電化學儲能系統(tǒng)最緊迫的火災(zāi)及消防安全領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)進行攻關(guān)和研究非常必要。概括來說，通過鋰離子電池火災(zāi)的特點及其發(fā)生和演化機理，驗證現(xiàn)有的消防滅火技術(shù)對鋰離子電池火災(zāi)的滅火效果與不足，基于典型預(yù)制倉式鋰離子電池儲能系統(tǒng)的消防滅火需求，建立科學合理的消防測試模型及技術(shù)規(guī)范，設(shè)計開發(fā)新型針對性的滅火劑，集成化、標準化鋰離子電池儲能消防系統(tǒng)，結(jié)合智慧消防與5G技術(shù)研制出針對鋰離子電池儲能系統(tǒng)消防安全防護技術(shù)規(guī)范與標準，解決目前大型鋰離子電池儲能系統(tǒng)因安全引發(fā)的一系列問題，提升現(xiàn)階段電網(wǎng)儲能的安全性和可靠性，為實現(xiàn)鋰離子電池儲能系統(tǒng)大規(guī)模的工程化與商業(yè)化應(yīng)用提供必要的技術(shù)保障。
團隊介紹
華中科技大學電氣學院曹元成教授團隊，主要研究方向為高安全低成本電固態(tài)化學儲能關(guān)鍵材料與裝備，在高安全、高比能、長壽命儲能材料與電池工藝等方面取得了一系列原創(chuàng)性的成果。發(fā)表SCI論文100余篇，包括Nano Energy、Materials Today、Materials Today Energy、 Joule 等，多篇入選ESI高被引論文，申請專利30項。
通訊作者：曹元成
第一作者：李首頂
