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)定的技術缺陷，一項與之對應的先進技術應運而生——電池儲能系統(tǒng)（BESS）。此項技術是可再生能源轉型的關鍵技術，對其未來前景的所有預測都呈指數(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)都曾有過關于電池儲能系統(tǒng)引發(fā)火災的報道，相關管理機構對電池儲能系統(tǒng)的消防法規(guī)和標準進行了多次修訂，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)是一種能源領域的技術，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)固有風險和相關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應急服務部門處理該類危險的經(jīng)驗很少或基本為零，這會導致存在電池起火、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險，消防用水也可能因電池短路而導致電池起火。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)的初始設計階段，與電池儲能系統(tǒng)負責人、承包商、集成商和其他利益相關者緊密合作，全面了解電池現(xiàn)場火災風險和相關危險的各個方面內(nèi)容是至關重要的。
1.法規(guī)和標準
UL標準，即美國保險商實驗室標準（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)范的基礎性標準。此外，2017年11月制定的UL9540A標準，專門用于解決“電池儲能系統(tǒng)中因熱失控而導致的火災蔓延”問題。在此期間，該標準的三個修訂版本已經(jīng)發(fā)布，并且預計監(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”標準NFPA 855，對UL 9540A標準的內(nèi)容作了特別引用。國際消防規(guī)范（IFC）在其最新的2021版標準中也發(fā)布了更為嚴格的爆炸性的安全標準（ESS）的安全要求。
盡管如此，在英國并沒有專門設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實施符合公認標準的消防措施，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險
電池儲能系統(tǒng)中最重要的構成要素是鋰離子電池，這會帶來特殊的火災風險，包括“熱失控”風險。熱失控是一種自我延續(xù)的連鎖反應，在該連鎖反應中會產(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，很有可能在數(shù)小時甚至數(shù)天后“死灰復燃”。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，以上原因可能會導致電池短路，從而引起電池內(nèi)部發(fā)熱、電池爆炸和導致電池起火。
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)生災害性故障，即最終可能導致“電池起火”和火災蔓延，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）——“預防”窗口和“控制”窗口。鋰離子電池產(chǎn)生的廢氣應被視為采取措施防止熱失控的預警信號。獨立測試的結果表明，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，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 “預防”窗口；Containment window “控制”窗口；Temperature溫度；Early warning 11.6 minutes預警時間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)是一理想的預防和解決方案。Li-on Tamer系統(tǒng)設計專門用于檢測所有因化學原因而導致的電池故障，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，具有極快的響應速度，可為電池儲能系統(tǒng)系統(tǒng)控制提供早期預警。相較于傳統(tǒng)的氣體檢測設備，傳統(tǒng)的氣體檢測設備對這種環(huán)境不夠敏感或不能以如此動力和在關鍵位置產(chǎn)生所需的響應速度。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，還可以通過通風處理來消除電池產(chǎn)生的可燃氣體的積聚。
UL9540A標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備制造商和全球領先的電池儲能系統(tǒng)集成商首選的滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)已按照UL標準和NFPA標準進行了嚴格的私人測試和商業(yè)測試。
DNV-GL測試得出的結論是，Stat-X系統(tǒng)可以用于撲救鋰離子電池起火，當事故發(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，防止火災死灰復燃，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，即任何一塊設定的電芯（或電池組中的多塊電芯）在受損后的反應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 預防火災；Containment 控制火災；ABUSE不當使用；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；Propogation擴散
5.總結
電池儲能系統(tǒng)設備的應用范圍十分廣泛，包括機柜、容器和建筑物內(nèi)部設備。除了上述的主要預防措施、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)的火災風險，該方案內(nèi)容主要包括控制面板技術、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）、通風控制、電池拆卸和封裝、用戶住宅火險預警系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的對接、應急程序（包括警告標志、警報器和手動操作的警報設施）、與當?shù)叵狸牶推渌鐓^(qū)利益相關者的溝通、維護、服務和持續(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火災撲救系統(tǒng)；3.Cooling 冷卻系統(tǒng)
