鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)抑制方法

楊 創(chuàng)，馮 鍵，鄭雨龍，饒雅睿

綜述

鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)抑制方法

楊 創(chuàng)，馮 鍵，鄭雨龍，饒雅睿

（中船重工黃岡水中裝備動(dòng)力有限公司，湖北黃岡 438000）

鋰離子電池具有熱失控的固有風(fēng)險(xiǎn)，這可能導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸的發(fā)生。本文重點(diǎn)介紹了抑制電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中鋰離子電池火災(zāi)的各種消防方法，包括水基自動(dòng)噴水、細(xì)水霧、惰性氣體和清潔劑滅火系統(tǒng)。分析表明，由于鋰離子電池獨(dú)特的電化學(xué)特性，基于早期檢測(cè)和抑制熱失控傳播的個(gè)案方法對(duì)于大型鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的消防設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

鋰離子電池 火災(zāi)抑制 熱失控 儲(chǔ)能系統(tǒng)

0 引言

全球正推動(dòng)化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)型，高效的儲(chǔ)能系統(tǒng)是其中必不可少的一環(huán)，其中以鋰離子電池為基礎(chǔ)的儲(chǔ)能系統(tǒng)最為突出。鋰離子電池因其能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)而處于電池技術(shù)研究和應(yīng)用的前沿，正是由于這些優(yōu)勢(shì)，鋰離子電池在諸多應(yīng)用場(chǎng)景中正快速的取代其他類型電池。鋰離子電池應(yīng)用的例子從小型個(gè)人電子設(shè)備，如智能手機(jī)、智能手表等，到大型儲(chǔ)能裝置，如電動(dòng)汽車、太陽能電站和風(fēng)電場(chǎng)等。雖然鋰離子電池?fù)碛兄T多優(yōu)點(diǎn)，但它具有熱失控的固有風(fēng)險(xiǎn)，這可能導(dǎo)致有害氣體（易燃、有毒或爆炸）的噴射、引起火災(zāi)和爆炸。本文重點(diǎn)介紹各種抑制鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)的消防方法。

1 鋰離子電池火災(zāi)發(fā)生機(jī)理

鋰電池在發(fā)生失效、火災(zāi)甚至爆炸行為之前，都要經(jīng)歷熱失控階段[1]。當(dāng)鋰電池內(nèi)部化學(xué)放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量未被及時(shí)耗散，使電池內(nèi)部溫度達(dá)到電池隔膜損壞溫度時(shí)，將導(dǎo)致電極直接與電解液接觸，短時(shí)間內(nèi)釋放大量熱量和可燃?xì)怏w，導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸的發(fā)生。熱失控常見的發(fā)生誘因及后果如圖1所示。與傳統(tǒng)的火災(zāi)不同，鋰電池?zé)崾Э貙?dǎo)致火災(zāi)由內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)提供燃料，該反應(yīng)釋放熱量，可以在沒有氧氣供應(yīng)或可見火焰的情況下繼續(xù)燃燒[2]。此外，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中存儲(chǔ)的電能和電池模塊密集的布置方式對(duì)抑制火災(zāi)也提出了重大挑戰(zhàn)。圖2顯示了2021年7月30日，世界上最大的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)之一，位于澳大利亞維多利亞州的特斯拉Megapack儲(chǔ)能項(xiàng)目在測(cè)試中發(fā)生火災(zāi)，一個(gè)集裝箱內(nèi)的13噸鋰離子電池完全點(diǎn)燃，大火整整燃燒了4天才被撲滅。Megapack儲(chǔ)能項(xiàng)目的突發(fā)火災(zāi)再次給鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)消防安全敲響了警鐘。

圖1 熱失控誘因及后果

圖2 特斯拉Megapack儲(chǔ)能項(xiàng)目發(fā)生火災(zāi)

鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的布置方式是助推熱失控傳播的關(guān)鍵因素。如圖3所示，單個(gè)鋰離子電芯組裝成為電池模塊，模塊堆疊在電池架中成為電池簇，最后一系列電池簇組成電池系統(tǒng)。熱傳播可能是由于電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量和釋放氣體的燃燒引起的，電池模塊內(nèi)部的主要熱傳遞途徑是通過單個(gè)電芯外殼進(jìn)行熱傳導(dǎo)，單個(gè)電芯火災(zāi)產(chǎn)生的熱量可能在相鄰電池中引發(fā)熱失控，對(duì)于大型鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，這種現(xiàn)象會(huì)螺旋式地引發(fā)熱失控蔓延，影響整個(gè)模塊或電池簇，最終影響整個(gè)電池系統(tǒng)，如圖4所示。

圖3 電池系統(tǒng)組成

圖4 熱失控示意圖

2 火災(zāi)抑制方法

2.1 水基自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)

鋰電池火災(zāi)本質(zhì)上是熱失控引起的，滅火手段中降溫是一個(gè)重點(diǎn)，由于水的有效冷卻特性，水基自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)被廣泛用于一般商品的消防，然而，應(yīng)用于鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的水基自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)的有效性還需要進(jìn)一步研究。目前，水基滅火系統(tǒng)在抑制基于鋰離子電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)大規(guī)模火災(zāi)方面的總體有效性和實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)還存在差距[3]。水基滅火系統(tǒng)的劣勢(shì)如下：

1）水的高電導(dǎo)率可能會(huì)導(dǎo)致電池短路，從而引發(fā)附加的起火風(fēng)險(xiǎn)。

2）為了防止熱失控蔓延，需要消耗大量水將電池冷卻到臨界溫度以下，造成一定程度的水資源浪費(fèi)。

3）鋰離子電池火災(zāi)用水會(huì)增加CO、H2和HF等廢氣、有毒氣體的生成。水會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)有機(jī)物不完全燃燒，從而產(chǎn)生有毒的CO而不是CO2；當(dāng)使用水時(shí)，H2在不燃燒的情況下釋放，增加其了濃度；水與五氟化磷反應(yīng)生成HF。

4）由于電池模塊密集的安裝結(jié)構(gòu)，一旦停止用水，無法達(dá)到法冷卻效果時(shí)，電池內(nèi)部可能會(huì)再次起火。

2.2 細(xì)水霧滅火系統(tǒng)

如圖5是細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。細(xì)水霧的滅火機(jī)理主要是吸熱冷卻、隔氧窒息、輻射熱阻隔和浸濕作用[4]。當(dāng)鋰電池出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，細(xì)水霧噴頭瞬間噴射而出，直接作用于火焰表面，快速達(dá)到隔氧窒息效果，從而抑制火焰的燃燒。同時(shí)，細(xì)水霧霧滴粒徑大小為1 000 μm，而傳統(tǒng)噴水系統(tǒng)的液滴尺寸約為5 000 μm，細(xì)水霧受熱后極易氣化，這個(gè)蒸發(fā)的過程將帶走大量熱量，從而迅速冷卻火災(zāi)區(qū)域。在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的鋰電池火災(zāi)中，細(xì)水霧滅火系統(tǒng)表現(xiàn)出了極好的電池降溫和阻止復(fù)燃的效果[5]。Zhang L等人[6]研究發(fā)現(xiàn)，向細(xì)水霧系統(tǒng)中添加表面活性劑和凝膠劑還能有效減少滅火和冷卻相鄰模塊所需的水量。盡管細(xì)水霧滅火系統(tǒng)存在使用過程中將產(chǎn)生有害氣體等一些已知缺點(diǎn)，但在試驗(yàn)室級(jí)別火災(zāi)中所表現(xiàn)出的理想滅火效果，促使越來越多的鋰電池制造商選擇細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。

圖5 細(xì)水霧系統(tǒng)

2.3 惰性氣體滅火系統(tǒng)

由于惰性氣體導(dǎo)電性低，作為滅火劑滅火后全部揮發(fā)，無殘留物，對(duì)環(huán)境無污染等特性，使得其廣泛應(yīng)用電氣、電子元件機(jī)組等帶電作業(yè)等場(chǎng)合。研究發(fā)現(xiàn)，N2、CO2、He等惰性氣體的不燃、不支持燃燒的特性對(duì)由鋰離子電池?zé)崾Э匾l(fā)的火災(zāi)具有抑制作用[7]。當(dāng)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，廢氣或煙霧探測(cè)系統(tǒng)激活，在封閉環(huán)境中使用惰性氣體可快速降低O2濃度，進(jìn)而阻隔燃燒物與O2接觸，從而達(dá)到窒息的目的，以抑制火勢(shì)繼續(xù)蔓延。惰性氣體滅火系統(tǒng)與水基系統(tǒng)不同，氣體滅火劑可以深層次的穿透鋰離子電池火災(zāi)，但氣體的冷卻性能較差，通常無法阻止熱傳播蔓延。

2.4 清潔劑滅火系統(tǒng)

基于鹵代烴的清潔劑系統(tǒng)，如Novec 1230、FM-200等“綠色”滅火系統(tǒng)正逐漸被各國消防管理部門認(rèn)可并廣泛地使用[8]。清潔劑系統(tǒng)滅火系統(tǒng)，能夠結(jié)合物理的和化學(xué)的反應(yīng)過程，迅速有效地消除熱能，阻止火災(zāi)的發(fā)生。清潔滅火劑的物理特性表現(xiàn)在其分子汽化階段能迅速冷卻火焰溫度，并且在化學(xué)反應(yīng)過程中釋放游離基，能最終阻止燃燒的連鎖反應(yīng)，可能能夠抑制初期鋰離子電池所引發(fā)的火災(zāi)。惰性氣體滅火系統(tǒng)在使用時(shí)存在缺氧窒息危險(xiǎn)，鹵代烴類清潔劑的主要缺點(diǎn)是暴露在高溫下可能形成二次有毒和腐蝕性產(chǎn)物[2]，會(huì)對(duì)消防人員生命安全造成威脅。

3 結(jié)語

目前，沒有一種單獨(dú)的滅火方法可以徹底、有效的解決鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)問題。例如，基于鹵代烴的清潔劑或惰性氣體系統(tǒng)不足以防止大規(guī)模熱失控，而水基滅火系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)電芯火災(zāi)時(shí)效果欠佳，同時(shí)外部短路還會(huì)增加損壞其他未受影響電池的風(fēng)險(xiǎn)。此外，這兩種滅火系統(tǒng)在用于鋰離子電池火災(zāi)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生有毒廢氣。

基于早期檢測(cè)和抑制熱失控傳播的防護(hù)策略可能是抑制鋰電池火災(zāi)的最佳方案。由于每個(gè)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)都有其獨(dú)特的電化學(xué)特性，使其電池模塊布置和電池管理策略各不相同，因此，個(gè)案防火方法對(duì)于大型鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的消防設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在未掌握可靠的特定鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)抑制技術(shù)之前，一個(gè)將抑制鋰離子電池火災(zāi)、防止熱失控傳播和對(duì)有毒氣體進(jìn)行管理結(jié)合的個(gè)案方法可能是抑制鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)火災(zāi)的最佳途徑。

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Fire suppression methods of lithium-ion battery energy storage system

Yang Chuang, Feng Jian, Zheng Yulong, Rao Yarui

(Huanggang Underwater Equipment Power Co., Ltd, CSIC, Huangang 438000, Hubei, China)

TM08

A

1003-4862（2022）10-0156-03

2022-6-07

楊創(chuàng)（1994-），男，助理工程師。研究方向：新能源動(dòng)力電池。E-mail: 873659776@qq.com