中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：近年來(lái)，鋰離子電池引發(fā)的事故頻頻成為新聞焦點(diǎn)，這些事故包括在飛機(jī)上正使用著的手機(jī)、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(dòng)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(duì)鋰離子電池尚不穩(wěn)定的技術(shù)缺陷，一項(xiàng)與之對(duì)應(yīng)的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生——電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（BESS）。此項(xiàng)技術(shù)是可再生能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)其未來(lái)前景的所有預(yù)測(cè)都呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。但從亞洲的韓國(guó)到北美洲的美國(guó)，再到歐洲的英國(guó)，在世界范圍內(nèi)都曾有過(guò)關(guān)于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)引發(fā)火災(zāi)的報(bào)道，相關(guān)管理機(jī)構(gòu)對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的消防法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了多次修訂，力爭(zhēng)使其能夠跟得上電池行業(yè)快速發(fā)展的步伐。
電池儲(chǔ)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(duì)象僅限于處理特殊運(yùn)營(yíng)需求的傳統(tǒng)電力部門(mén)和公用事業(yè)公司。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商和最終用戶很可能是對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)固有風(fēng)險(xiǎn)和相關(guān)危險(xiǎn)了解有限的金融投資者、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商、工業(yè)園區(qū)、工廠或委員會(huì)。
此外，由于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)新興的行業(yè)，很多消防隊(duì)員和相關(guān)應(yīng)急服務(wù)部門(mén)處理該類危險(xiǎn)的經(jīng)驗(yàn)很少或基本為零，這會(huì)導(dǎo)致存在電池起火、電池爆炸、電池電壓過(guò)高和因電池起火而產(chǎn)生的煙霧及毒氣的風(fēng)險(xiǎn)，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(wàn)美元成本的資產(chǎn)全部毀損，以及隨之而來(lái)的保險(xiǎn)問(wèn)題。因此，在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始設(shè)計(jì)階段，與電池儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)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(chǎng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和相關(guān)危險(xiǎn)的各個(gè)方面內(nèi)容是至關(guān)重要的。
1.法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)
UL標(biāo)準(zhǔn)，即美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)（Underwriter Laboratories Inc.），是很多國(guó)際組織和國(guó)家組織制定消防法規(guī)和消防規(guī)范的基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)。此外，2017年11月制定的UL9540A標(biāo)準(zhǔn)，專門(mén)用于解決“電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中因熱失控而導(dǎo)致的火災(zāi)蔓延”問(wèn)題。在此期間，該標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)修訂版本已經(jīng)發(fā)布，并且預(yù)計(jì)監(jiān)管環(huán)境也會(huì)得到完善。
此外，美國(guó)消防協(xié)會(huì)也發(fā)布了自己的“固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝”標(biāo)準(zhǔn)NFPA 855，對(duì)UL 9540A標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容作了特別引用。國(guó)際消防規(guī)范（IFC）在其最新的2021版標(biāo)準(zhǔn)中也發(fā)布了更為嚴(yán)格的爆炸性的安全標(biāo)準(zhǔn)（ESS）的安全要求。
盡管如此，在英國(guó)并沒(méi)有專門(mén)設(shè)立用于管理電池儲(chǔ)能系統(tǒng)消防的法律或強(qiáng)制性法規(guī)。對(duì)于許多電池儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，可能都是由保險(xiǎn)公司來(lái)負(fù)責(zé)實(shí)施符合公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)的消防措施，而保險(xiǎn)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(xiǎn)
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中最重要的構(gòu)成要素是鋰離子電池，這會(huì)帶來(lái)特殊的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，包括“熱失控”風(fēng)險(xiǎn)。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(huì)產(chǎn)生過(guò)多的熱量，而過(guò)多的熱量又會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生熱量，并有可能從電池組中的一塊電芯擴(kuò)散至相鄰電芯，從而導(dǎo)致電池組大范圍受損。在熱失控過(guò)程中，氧氣被認(rèn)為是在陰極消耗過(guò)程中自行產(chǎn)生的，此外，鋰離子電池內(nèi)部有多種燃料來(lái)源（包括金屬燃料、塑料燃料、電氣燃料、易燃?xì)怏w燃料和液體燃料）。
此外，從本質(zhì)上來(lái)講，鋰離子電池起火的原因是具有“根深蒂固的特性”的，因?yàn)橐鹬鸬牟牧虾湍軌蚵踊馂?zāi)的材料被牢不可分地集成在一塊電池中，所以對(duì)電池起火的撲救工作構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。更為嚴(yán)重的是，對(duì)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(shí)甚至數(shù)天后“死灰復(fù)燃”。同時(shí)必須謹(jǐn)慎對(duì)待鋰離子電池的運(yùn)輸和安裝過(guò)程，因?yàn)槠錁O易受到機(jī)械性損壞（例如擠壓或刺破）和電涌的影響，以上原因可能會(huì)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(wú)法對(duì)電池的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)控，這些電池運(yùn)行環(huán)境包括溫度或電池電壓，也有可能包括充電過(guò)度等原因。
3.了解鋰離子電池的故障
從時(shí)間上看，鋰離子電池故障主要分為四個(gè)階段：初始階段是對(duì)電池“濫用”，電池受損的原因包括熱量、電氣或機(jī)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(guò)高可能導(dǎo)致電池起火和熱失控。經(jīng)過(guò)以上三個(gè)階段之后，可能很快就會(huì)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(duì)鋰離子電池故障的認(rèn)知，實(shí)施電池消防措施主要有兩個(gè)“機(jī)會(huì)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(hào)。獨(dú)立測(cè)試的結(jié)果表明，從開(kāi)始檢測(cè)到廢氣到發(fā)生熱失控的平均時(shí)間間隔為11至12分鐘。但如果預(yù)防措施無(wú)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(cè)試條件下的典型鋰離子電池故障時(shí)間軸
圖注：Battery failure timeline電池故障時(shí)間軸；Li-on Tamer off-gas monitor Li-on Tamer廢氣監(jiān)測(cè)器；Smoke Detector signal 感煙探測(cè)器信號(hào)；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(shí)間11.6分鐘；Off-gas detected廢氣監(jiān)測(cè)；Thermal runaway熱失控；Smoke detected感煙探測(cè)；Time時(shí)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(cè)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(jì)專門(mén)用于檢測(cè)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(kāi)始產(chǎn)生廢氣的階段進(jìn)行檢測(cè)，具有極快的響應(yīng)速度，可為電池儲(chǔ)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(cè)設(shè)備，傳統(tǒng)的氣體檢測(cè)設(shè)備對(duì)這種環(huán)境不夠敏感或不能以如此動(dòng)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(guò)向電池管理系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)關(guān)閉電池電源，從而防止電芯溫度進(jìn)一步升高，使電芯溫度低于熱失控點(diǎn)。在必要情況下，還可以通過(guò)通風(fēng)處理來(lái)消除電池產(chǎn)生的可燃?xì)怏w的積聚。
UL9540A標(biāo)準(zhǔn)可以對(duì)廢氣進(jìn)行識(shí)別并對(duì)廢氣排放量進(jìn)行量化，從而對(duì)熱失控問(wèn)題的早期跡象進(jìn)行檢測(cè)，而DNV-GL的獨(dú)立測(cè)試得出的結(jié)論是，需要經(jīng)過(guò)為期兩年的電池故障測(cè)試計(jì)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(shuō)明BESS電池管理系統(tǒng)可能不能及時(shí)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(diǎn)。若出現(xiàn)了上述問(wèn)題，而電池溫度又超過(guò)了熱失控點(diǎn)，則需要啟動(dòng)控制模式。這一階段采用自動(dòng)化系統(tǒng)，可進(jìn)行主動(dòng)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(chǔ)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(zhǔn)和NFPA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了嚴(yán)格的私人測(cè)試和商業(yè)測(cè)試。
DNV-GL測(cè)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(shí)，空氣中殘存的Stat-X氣溶膠可以為電池提供額外的保護(hù)，防止火災(zāi)死灰復(fù)燃，并且在電池起火時(shí)，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(diǎn)，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(jī)性，無(wú)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(guò)程。如果不對(duì)其加以有效控制，則很有可能會(huì)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(guò)數(shù)分鐘、數(shù)小時(shí)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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)水箱外部安裝消防隊(duì)專用水泵。
認(rèn)識(shí)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(diǎn)火；FIRE火災(zāi)；Propogation擴(kuò)散
5.總結(jié)
電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用范圍十分廣泛，包括機(jī)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(cè)、保護(hù)和管理電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，該方案內(nèi)容主要包括控制面板技術(shù)、其他檢測(cè)方法（包括熱量檢測(cè)方法、煙霧檢測(cè)方法和廢氣檢測(cè)方法等）、通風(fēng)控制、電池拆卸和封裝、用戶住宅火險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的對(duì)接、應(yīng)急程序（包括警告標(biāo)志、警報(bào)器和手動(dòng)操作的警報(bào)設(shè)施）、與當(dāng)?shù)叵狸?duì)和其他社區(qū)利益相關(guān)者的溝通、維護(hù)、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(cè)器；2.STAT-X：STAT-X火災(zāi)撲救系統(tǒng)；3.Cooling 冷卻系統(tǒng)
