中國儲能網(wǎng)訊：近年來，鋰離子電池引發(fā)的事故頻頻成為新聞焦點，這些事故包括在飛機上正使用著的手機、筆記本電腦發(fā)生的鋰離子電池自發(fā)性爆炸，還包括電動汽車受到撞擊后或發(fā)生碰撞后導(dǎo)致的鋰離子電池起火事故。針對鋰離子電池尚不穩(wěn)定的技術(shù)缺陷，一項與之對應(yīng)的先進技術(shù)應(yīng)運而生——電池儲能系統(tǒng)（BESS）。此項技術(shù)是可再生能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)，對其未來前景的所有預(yù)測都呈指數(shù)級增長。但從亞洲的韓國到北美洲的美國，再到歐洲的英國，在世界范圍內(nèi)都曾有過關(guān)于電池儲能系統(tǒng)引發(fā)火災(zāi)的報道，相關(guān)管理機構(gòu)對電池儲能系統(tǒng)的消防法規(guī)和標(biāo)準進行了多次修訂，力爭使其能夠跟得上電池行業(yè)快速發(fā)展的步伐。
電池儲能系統(tǒng)是一種能源領(lǐng)域的技術(shù)，但這并不意味著使用對象僅限于處理特殊運營需求的傳統(tǒng)電力部門和公用事業(yè)公司。電池儲能系統(tǒng)開發(fā)商和最終用戶很可能是對電池儲能系統(tǒng)固有風(fēng)險和相關(guān)危險了解有限的金融投資者、房地產(chǎn)開發(fā)商、工業(yè)園區(qū)、工廠或委員會。
此外，由于電池儲能系統(tǒng)是一個相對新興的行業(yè)，很多消防隊員和相關(guān)應(yīng)急服務(wù)部門處理該類危險的經(jīng)驗很少或基本為零，這會導(dǎo)致存在電池起火、電池爆炸、電池電壓過高和因電池起火而產(chǎn)生的煙霧及毒氣的風(fēng)險，消防用水也可能因電池短路而導(dǎo)致電池起火。不言而喻，消防用水所造成的危害和消防用水流失可能導(dǎo)致數(shù)百萬美元成本的資產(chǎn)全部毀損，以及隨之而來的保險問題。因此，在電池儲能系統(tǒng)的初始設(shè)計階段，與電池儲能系統(tǒng)負責(zé)人、承包商、集成商和其他利益相關(guān)者緊密合作，全面了解電池現(xiàn)場火災(zāi)風(fēng)險和相關(guān)危險的各個方面內(nèi)容是至關(guān)重要的。
1.法規(guī)和標(biāo)準
UL標(biāo)準，即美國保險商實驗室標(biāo)準（Underwriter Laboratories Inc.），是很多國際組織和國家組織制定消防法規(guī)和消防規(guī)范的基礎(chǔ)性標(biāo)準。此外，2017年11月制定的UL9540A標(biāo)準，專門用于解決“電池儲能系統(tǒng)中因熱失控而導(dǎo)致的火災(zāi)蔓延”問題。在此期間，該標(biāo)準的三個修訂版本已經(jīng)發(fā)布，并且預(yù)計監(jiān)管環(huán)境也會得到完善。
此外，美國消防協(xié)會也發(fā)布了自己的“固定式儲能系統(tǒng)安裝”標(biāo)準NFPA 855，對UL 9540A標(biāo)準的內(nèi)容作了特別引用。國際消防規(guī)范（IFC）在其最新的2021版標(biāo)準中也發(fā)布了更為嚴格的爆炸性的安全標(biāo)準（ESS）的安全要求。
盡管如此，在英國并沒有專門設(shè)立用于管理電池儲能系統(tǒng)消防的法律或強制性法規(guī)。對于許多電池儲能系統(tǒng)項目來說，可能都是由保險公司來負責(zé)實施符合公認標(biāo)準的消防措施，而保險公司總體上更喜歡穩(wěn)妥可靠的政策。
2.鋰離子電池存在的風(fēng)險
電池儲能系統(tǒng)中最重要的構(gòu)成要素是鋰離子電池，這會帶來特殊的火災(zāi)風(fēng)險，包括“熱失控”風(fēng)險。熱失控是一種自我延續(xù)的連鎖反應(yīng)，在該連鎖反應(yīng)中會產(chǎn)生過多的熱量，而過多的熱量又會繼續(xù)產(chǎn)生熱量，并有可能從電池組中的一塊電芯擴散至相鄰電芯，從而導(dǎo)致電池組大范圍受損。在熱失控過程中，氧氣被認為是在陰極消耗過程中自行產(chǎn)生的，此外，鋰離子電池內(nèi)部有多種燃料來源（包括金屬燃料、塑料燃料、電氣燃料、易燃氣體燃料和液體燃料）。
此外，從本質(zhì)上來講，鋰離子電池起火的原因是具有“根深蒂固的特性”的，因為引起著火的材料和能夠蔓延火災(zāi)的材料被牢不可分地集成在一塊電池中，所以對電池起火的撲救工作構(gòu)成了嚴峻挑戰(zhàn)。更為嚴重的是，對于那些表面上看似已經(jīng)被有效控制和撲救的鋰離子電池火災(zāi)，很有可能在數(shù)小時甚至數(shù)天后“死灰復(fù)燃”。同時必須謹慎對待鋰離子電池的運輸和安裝過程，因為其極易受到機械性損壞（例如擠壓或刺破）和電涌的影響，以上原因可能會導(dǎo)致電池短路，從而引起電池內(nèi)部發(fā)熱、電池爆炸和導(dǎo)致電池起火。
此外，電池管理控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)故障或失效，導(dǎo)致無法對電池的運行環(huán)境進行有效監(jiān)控，這些電池運行環(huán)境包括溫度或電池電壓，也有可能包括充電過度等原因。
3.了解鋰離子電池的故障
從時間上看，鋰離子電池故障主要分為四個階段：初始階段是對電池“濫用”，電池受損的原因包括熱量、電氣或機械原因，然后是“廢氣排放”，即電池產(chǎn)生的微量氣體（例如氫氣）和其他電池的電解液蒸汽，該類廢氣能導(dǎo)致電池釋放熱量。如果電池溫度繼續(xù)升高，則下一階段是“電池起煙”狀態(tài)，熱量水平過高可能導(dǎo)致電池起火和熱失控。經(jīng)過以上三個階段之后，可能很快就會發(fā)生災(zāi)害性故障，即最終可能導(dǎo)致“電池起火”和火災(zāi)蔓延，甚至發(fā)生電池爆炸。
根據(jù)我們對鋰離子電池故障的認知，實施電池消防措施主要有兩個“機會窗”（windows of opportunity）——“預(yù)防”窗口和“控制”窗口。鋰離子電池產(chǎn)生的廢氣應(yīng)被視為采取措施防止熱失控的預(yù)警信號。獨立測試的結(jié)果表明，從開始檢測到廢氣到發(fā)生熱失控的平均時間間隔為11至12分鐘。但如果預(yù)防措施無效且受損的鋰離子電池起火，則必須采取措施控制由此產(chǎn)生的火災(zāi)，并盡量減少其蔓延至電池組中相鄰電芯的可能性。
測試條件下的典型鋰離子電池故障時間軸
圖注：Battery failure timeline電池故障時間軸；Li-on Tamer off-gas monitor Li-on Tamer廢氣監(jiān)測器；Smoke Detector signal 感煙探測器信號；Cell surface temperature 電芯表面溫度；Prevention window “預(yù)防”窗口；Containment window “控制”窗口；Temperature溫度；Early warning 11.6 minutes預(yù)警時間11.6分鐘；Off-gas detected廢氣監(jiān)測；Thermal runaway熱失控；Smoke detected感煙探測；Time時間
4.消防措施
（1）預(yù)防
Li-on Tamer提供的高靈敏度電池安全監(jiān)控和檢測系統(tǒng)是一理想的預(yù)防和解決方案。Li-on Tamer系統(tǒng)設(shè)計專門用于檢測所有因化學(xué)原因而導(dǎo)致的電池故障，特別是能夠?qū)︿囯x子電池開始產(chǎn)生廢氣的階段進行檢測，具有極快的響應(yīng)速度，可為電池儲能系統(tǒng)系統(tǒng)控制提供早期預(yù)警。相較于傳統(tǒng)的氣體檢測設(shè)備，傳統(tǒng)的氣體檢測設(shè)備對這種環(huán)境不夠敏感或不能以如此動力和在關(guān)鍵位置產(chǎn)生所需的響應(yīng)速度。該解決方案的主要措施是通過向電池管理系統(tǒng)發(fā)送信號關(guān)閉電池電源，從而防止電芯溫度進一步升高，使電芯溫度低于熱失控點。在必要情況下，還可以通過通風(fēng)處理來消除電池產(chǎn)生的可燃氣體的積聚。
UL9540A標(biāo)準可以對廢氣進行識別并對廢氣排放量進行量化，從而對熱失控問題的早期跡象進行檢測，而DNV-GL的獨立測試得出的結(jié)論是，需要經(jīng)過為期兩年的電池故障測試計劃，Li-on Tamer系統(tǒng)才能有效防止熱失控。
（2）滅火
在出現(xiàn)廢氣逸出的情況下，說明BESS電池管理系統(tǒng)可能不能及時關(guān)閉電池電源，或者不能有效阻止受損電池溫度繼續(xù)升高至熱失控點。若出現(xiàn)了上述問題，而電池溫度又超過了熱失控點，則需要啟動控制模式。這一階段采用自動化系統(tǒng)，可進行主動滅火處理。滅火材料包括氣溶膠滅火劑或化學(xué)氣體滅火劑。Nobel推薦的是Stat-X系統(tǒng)，這是一種冷凝氣溶膠滅火系統(tǒng)，目前已成為多家鋰離子電池原始設(shè)備制造商和全球領(lǐng)先的電池儲能系統(tǒng)集成商首選的滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)已按照UL標(biāo)準和NFPA標(biāo)準進行了嚴格的私人測試和商業(yè)測試。
DNV-GL測試得出的結(jié)論是，Stat-X系統(tǒng)可以用于撲救鋰離子電池起火，當(dāng)事故發(fā)生時，空氣中殘存的Stat-X氣溶膠可以為電池提供額外的保護，防止火災(zāi)死灰復(fù)燃，并且在電池起火時，Stat-X系統(tǒng)還可以降低封閉環(huán)境中的氧氣含量。
（3）冷卻
盡管采取了最佳的預(yù)防措施和控制措施，但鋰離子電池的性質(zhì)決定了這樣一點，即任何一塊設(shè)定的電芯（或電池組中的多塊電芯）在受損后的反應(yīng)存在著一定的隨機性，無論是廢氣排放的性質(zhì)或程度、溫度升高、起火情況，或者從電池組中的一塊電芯的故障情況傳播至另一塊電芯的過程。如果不對其加以有效控制，則很有可能會發(fā)生電池爆炸。如前所述，鋰離子電池起火情況很有可能在看似已被撲滅的情況下，在經(jīng)過數(shù)分鐘、數(shù)小時甚至數(shù)天后“死灰復(fù)燃”。因此，Nobel建議采用備用的冷卻方案，特別是在電池儲能系統(tǒng)內(nèi)部安裝雨淋式霧化噴嘴的水霧系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以直接連接至供水系統(tǒng)（如專用水箱），或者可以在電池儲能系統(tǒng)水箱外部安裝消防隊專用水泵。
認識鋰離子電池故障
圖注：Prevention 預(yù)防火災(zāi)；Containment 控制火災(zāi)；ABUSE不當(dāng)使用；Cell damage電芯受損；OFF-GAS 產(chǎn)生廢氣；Heat release放熱；SMOKE起煙；Ignition點火；FIRE火災(zāi)；Propogation擴散
5.總結(jié)
電池儲能系統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用范圍十分廣泛，包括機柜、容器和建筑物內(nèi)部設(shè)備。除了上述的主要預(yù)防措施、控制措施和冷卻措施外，還制定有一套額外的解決方案，可以用于監(jiān)測、保護和管理電池儲能系統(tǒng)的火災(zāi)風(fēng)險，該方案內(nèi)容主要包括控制面板技術(shù)、其他檢測方法（包括熱量檢測方法、煙霧檢測方法和廢氣檢測方法等）、通風(fēng)控制、電池拆卸和封裝、用戶住宅火險預(yù)警系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的對接、應(yīng)急程序（包括警告標(biāo)志、警報器和手動操作的警報設(shè)施）、與當(dāng)?shù)叵狸牶推渌鐓^(qū)利益相關(guān)者的溝通、維護、服務(wù)和持續(xù)的客戶支持和安裝協(xié)議。
鋰離子電池故障的推薦消防解決方案
圖注：1.Li-on Tamer：Li-on Tamer廢氣監(jiān)測器；2.STAT-X：STAT-X火災(zāi)撲救系統(tǒng)；3.Cooling 冷卻系統(tǒng)
