江森自控公司工程消防產品經理Derek Sandahl日前對如何防止鋰離子電池熱失控并引發(fā)火災的最佳方法進行了分析和探討。他在發(fā)表的一篇文章中指出，安全管理鋰離子電池儲能系統(tǒng)應該成為儲能行業(yè)頭等大事。
如今很多國家都制定了雄心勃勃的減排目標，以減少全球碳排放量。由此產生的對可再生能源的投資正在推動儲能系統(tǒng)（ESS）行業(yè)的快速增長。根據調研機構的預計，2018年到2026年，全球儲能市場規(guī)模將以35％復合年增長率增長。
鋰離子電池儲能系統(tǒng)如今成為全球一種主流的儲能技術。根據目前的發(fā)展速度，到2026年，全球電池儲能市場規(guī)模預計將達到230億美元。風力發(fā)電場、太陽能發(fā)電場和數據中心選擇采用鋰離子電池儲能系統(tǒng)的原因很多，其中包括成本可承受性。一方面，鋰離子電池具有很高的能量密度，并且在容量方面具有更高的擴展?jié)摿ΑＡ硪环矫妫渥苑烹娐室蚕鄬^低，不到鎳基電池的一半。并且鋰離子電池幾乎不需要維護，也不需要定期放電。
盡管鋰離子電池具有很多優(yōu)點，但也有一些局限性。鋰離子電池需要采用復雜的電池管理系統(tǒng)（BMS），以確保它們在受控參數（如電壓、溫度和充電狀態(tài)）范圍內工作，這些參數會隨著電池的性能退化而調整。如果管理不當，或者電池遭受其他形式的濫用，可能導致電池故障的風險，增加熱失控和火災的風險。
而主要采用鋰離子電池的行業(yè)廠商需要一種新的、全面的解決方案，以有效檢測電池故障并進行干預，以防止熱失控以及引發(fā)火災的危險。
熱失控的危險
如果電池遭受濫用，可能會導致熱失控，從而釋放有毒和可燃氣體。單個電池單元中發(fā)生的熱失控會迅速擴散，從而導致相鄰電池單元的熱失控級聯。熱失控可能最終導致災難性的火災事件。
眾所周知，鋰離子電池如果起火很難撲滅。采用氣體抑制和噴淋消防系統(tǒng)根本無效。雖然這樣的消防系統(tǒng)可以減緩火勢的增長和熱量，但一旦熱失控開始，還不足以完全撲滅火勢。撲滅這類火災的最有效方法是在數小時甚至數天的時間內采用大量的水撲滅。在許多地方，尤其是那些偏遠的地方或缺水的地方，難以采用這種做法，甚至是無法實現的。
不幸的是，儲能行業(yè)最近幾年發(fā)生了許多這樣的火災事件。2017年11月，部署在比利時布魯塞爾附近的一個并網連接的鋰離子電池儲能系統(tǒng)發(fā)生的火災產生大量有毒煙霧，迫使當地居民在家躲避。2019年4月，APS公司在亞利桑那州運營的一個鋰離子電池儲能系統(tǒng)發(fā)生火災并導致爆炸，造成當地4名消防員受傷。在這些火災發(fā)生后，美國能源開發(fā)商如今將電池儲能系統(tǒng)的安全作為重點。而在2017年至2019年之，韓國發(fā)生了28起電池儲能系統(tǒng)火災，導致522個電池儲能系統(tǒng)的部署被暫停或取消。
了解電池故障的各個階段有助于找到解決方案
為了防止此類事件再次發(fā)生，了解電池故障的各個階段至關重要。可以劃分為預防和控制區(qū)域，并且分為四個階段：
1.預防區(qū)域
第一階段：電池濫用。
在第一階段，熱量、電氣或機械故障會導致電池損壞，從而導致電池溫度和壓力升高。
第二階段：產生易燃的廢氣。
隨著電池溫度和壓力的升高，易燃氣體從電池中排出。這是必須采取措施避免熱失控和火災的關鍵點。
第三階段：熱失控
熱失控標志著防護區(qū)域的盡頭和遏制區(qū)域的開始。溫度迅速上升幾百度，并產生出煙霧。正是在這一點上，災難性的失敗迫在眉睫。
2.控制區(qū)域
第四階段：起火
電池在熱失控后開始起火。鋰離子電池機架的結構可以最大程度地提高電池的部署密度，但同時也可以使火勢迅速蔓延。在起火之后，火勢很容易轉移到相鄰的電池和建筑材料上，并將變得無法控制。
仔細觀察這四個階段，可以發(fā)現早期干預是防止熱失控的理想時刻。在理想情況下，應在預防區(qū)域內發(fā)生反應，但這需要在第一或第二階段進行檢測。如果在開始發(fā)生熱失控之前可以檢測到廢氣，并及時斷開發(fā)生故障的電池，則可以避免火災危險。
盡早干預可防止熱失控
正如分析鋰離子電池故障的四個階段所顯示的那樣，檢測到的最佳預警信號之一是廢氣的釋放。根據定義，廢氣是電池化學反應過程的副產物。當鋰離子電池開始出現故障時，這個化學過程會從電池單元中產生電解質蒸汽。這種廢氣是在電池單元損壞發(fā)生后不久以及熱失控開始前幾分鐘產生的。
鋰離子電池發(fā)生故障最終也會產生可檢測到的煙霧，但是只有在熱失控開始之后才可以檢測到。通過檢測廢氣的存在，可以及時處理受影響的電池以防止熱失控。
綜合解決方案使早期干預成為可能
有效的預防鋰離子電池風險解決方案采用監(jiān)視和參考傳感器，可以持續(xù)檢查電池機架中是否存在鋰離子電池產生的廢氣。參考傳感器將周圍環(huán)境空氣數據提供給控制器，同時監(jiān)視電池機架內的傳感器以獲取與鋰離子電池附近空氣有關的數據。這些傳感器可以檢測濃度低至百萬分之一（ppm）的鋰離子電池的廢氣。
這個風險防范系統(tǒng)旨在斷開電池連接，并在不到五秒鐘的時間內防止熱失控。但是，即使在斷開電池之后，仍可能存在易燃氣體。除非該區(qū)域足夠大或可以進行通風，否則這些廢氣仍可能引起火災。
這是進行火災探測和滅火發(fā)揮作用的地方。如果使用惰性氣體，氣體滅火系統(tǒng)可用于在釋放出廢氣后對其空間進行惰化。這可以幫助降低廢氣燃燒的可能性。惰性系統(tǒng)的釋放點需要仔細考慮才能有效，并且可能需要與其他系統(tǒng)進行集成。
在規(guī)定的設計濃度下，消防系統(tǒng)可用于幫助保護電池免受火源（例如A類材料）和其他電子組件故障的傷害，它們可能會成為點燃電池的熱源。
將廢氣檢測與火災檢測和抑制相結合，可提供所需的早期干預，以幫助防止電池出現熱失控和發(fā)生火災的危險。該系統(tǒng)不需要與電池單元進行電氣或機械接觸，本質上是對現有消防系統(tǒng)的升級，使其能夠在帶電的工作環(huán)境中工作。
預計在未來五年內，使用鋰離子電池的儲能系統(tǒng)的數量將會顯著增加。由于鋰離子電池可能會發(fā)生故障和火災，而且往往沒有什么預警，因此，在最壞的情況發(fā)生之前，檢測并防止熱失控比以往任何時候都更為重要。將早期的廢氣檢測與火災檢測、抑制或惰化系統(tǒng)相結合，可以提供一種整體解決方案，該解決方案可以提供所需的早期預警，加強電池儲能系統(tǒng)安全。
如今很多國家都制定了雄心勃勃的減排目標，以減少全球碳排放量。由此產生的對可再生能源的投資正在推動儲能系統(tǒng)（ESS）行業(yè)的快速增長。根據調研機構的預計，2018年到2026年，全球儲能市場規(guī)模將以35％復合年增長率增長。
鋰離子電池儲能系統(tǒng)如今成為全球一種主流的儲能技術。根據目前的發(fā)展速度，到2026年，全球電池儲能市場規(guī)模預計將達到230億美元。風力發(fā)電場、太陽能發(fā)電場和數據中心選擇采用鋰離子電池儲能系統(tǒng)的原因很多，其中包括成本可承受性。一方面，鋰離子電池具有很高的能量密度，并且在容量方面具有更高的擴展?jié)摿ΑＡ硪环矫妫渥苑烹娐室蚕鄬^低，不到鎳基電池的一半。并且鋰離子電池幾乎不需要維護，也不需要定期放電。
盡管鋰離子電池具有很多優(yōu)點，但也有一些局限性。鋰離子電池需要采用復雜的電池管理系統(tǒng)（BMS），以確保它們在受控參數（如電壓、溫度和充電狀態(tài)）范圍內工作，這些參數會隨著電池的性能退化而調整。如果管理不當，或者電池遭受其他形式的濫用，可能導致電池故障的風險，增加熱失控和火災的風險。
而主要采用鋰離子電池的行業(yè)廠商需要一種新的、全面的解決方案，以有效檢測電池故障并進行干預，以防止熱失控以及引發(fā)火災的危險。
熱失控的危險
如果電池遭受濫用，可能會導致熱失控，從而釋放有毒和可燃氣體。單個電池單元中發(fā)生的熱失控會迅速擴散，從而導致相鄰電池單元的熱失控級聯。熱失控可能最終導致災難性的火災事件。
眾所周知，鋰離子電池如果起火很難撲滅。采用氣體抑制和噴淋消防系統(tǒng)根本無效。雖然這樣的消防系統(tǒng)可以減緩火勢的增長和熱量，但一旦熱失控開始，還不足以完全撲滅火勢。撲滅這類火災的最有效方法是在數小時甚至數天的時間內采用大量的水撲滅。在許多地方，尤其是那些偏遠的地方或缺水的地方，難以采用這種做法，甚至是無法實現的。
不幸的是，儲能行業(yè)最近幾年發(fā)生了許多這樣的火災事件。2017年11月，部署在比利時布魯塞爾附近的一個并網連接的鋰離子電池儲能系統(tǒng)發(fā)生的火災產生大量有毒煙霧，迫使當地居民在家躲避。2019年4月，APS公司在亞利桑那州運營的一個鋰離子電池儲能系統(tǒng)發(fā)生火災并導致爆炸，造成當地4名消防員受傷。在這些火災發(fā)生后，美國能源開發(fā)商如今將電池儲能系統(tǒng)的安全作為重點。而在2017年至2019年之，韓國發(fā)生了28起電池儲能系統(tǒng)火災，導致522個電池儲能系統(tǒng)的部署被暫停或取消。
了解電池故障的各個階段有助于找到解決方案
為了防止此類事件再次發(fā)生，了解電池故障的各個階段至關重要。可以劃分為預防和控制區(qū)域，并且分為四個階段：
1.預防區(qū)域
第一階段：電池濫用。
在第一階段，熱量、電氣或機械故障會導致電池損壞，從而導致電池溫度和壓力升高。
第二階段：產生易燃的廢氣。
隨著電池溫度和壓力的升高，易燃氣體從電池中排出。這是必須采取措施避免熱失控和火災的關鍵點。
第三階段：熱失控
熱失控標志著防護區(qū)域的盡頭和遏制區(qū)域的開始。溫度迅速上升幾百度，并產生出煙霧。正是在這一點上，災難性的失敗迫在眉睫。
2.控制區(qū)域
第四階段：起火
電池在熱失控后開始起火。鋰離子電池機架的結構可以最大程度地提高電池的部署密度，但同時也可以使火勢迅速蔓延。在起火之后，火勢很容易轉移到相鄰的電池和建筑材料上，并將變得無法控制。
仔細觀察這四個階段，可以發(fā)現早期干預是防止熱失控的理想時刻。在理想情況下，應在預防區(qū)域內發(fā)生反應，但這需要在第一或第二階段進行檢測。如果在開始發(fā)生熱失控之前可以檢測到廢氣，并及時斷開發(fā)生故障的電池，則可以避免火災危險。
盡早干預可防止熱失控
正如分析鋰離子電池故障的四個階段所顯示的那樣，檢測到的最佳預警信號之一是廢氣的釋放。根據定義，廢氣是電池化學反應過程的副產物。當鋰離子電池開始出現故障時，這個化學過程會從電池單元中產生電解質蒸汽。這種廢氣是在電池單元損壞發(fā)生后不久以及熱失控開始前幾分鐘產生的。
鋰離子電池發(fā)生故障最終也會產生可檢測到的煙霧，但是只有在熱失控開始之后才可以檢測到。通過檢測廢氣的存在，可以及時處理受影響的電池以防止熱失控。
綜合解決方案使早期干預成為可能
有效的預防鋰離子電池風險解決方案采用監(jiān)視和參考傳感器，可以持續(xù)檢查電池機架中是否存在鋰離子電池產生的廢氣。參考傳感器將周圍環(huán)境空氣數據提供給控制器，同時監(jiān)視電池機架內的傳感器以獲取與鋰離子電池附近空氣有關的數據。這些傳感器可以檢測濃度低至百萬分之一（ppm）的鋰離子電池的廢氣。
這個風險防范系統(tǒng)旨在斷開電池連接，并在不到五秒鐘的時間內防止熱失控。但是，即使在斷開電池之后，仍可能存在易燃氣體。除非該區(qū)域足夠大或可以進行通風，否則這些廢氣仍可能引起火災。
這是進行火災探測和滅火發(fā)揮作用的地方。如果使用惰性氣體，氣體滅火系統(tǒng)可用于在釋放出廢氣后對其空間進行惰化。這可以幫助降低廢氣燃燒的可能性。惰性系統(tǒng)的釋放點需要仔細考慮才能有效，并且可能需要與其他系統(tǒng)進行集成。
在規(guī)定的設計濃度下，消防系統(tǒng)可用于幫助保護電池免受火源（例如A類材料）和其他電子組件故障的傷害，它們可能會成為點燃電池的熱源。
將廢氣檢測與火災檢測和抑制相結合，可提供所需的早期干預，以幫助防止電池出現熱失控和發(fā)生火災的危險。該系統(tǒng)不需要與電池單元進行電氣或機械接觸，本質上是對現有消防系統(tǒng)的升級，使其能夠在帶電的工作環(huán)境中工作。
預計在未來五年內，使用鋰離子電池的儲能系統(tǒng)的數量將會顯著增加。由于鋰離子電池可能會發(fā)生故障和火災，而且往往沒有什么預警，因此，在最壞的情況發(fā)生之前，檢測并防止熱失控比以往任何時候都更為重要。將早期的廢氣檢測與火災檢測、抑制或惰化系統(tǒng)相結合，可以提供一種整體解決方案，該解決方案可以提供所需的早期預警，加強電池儲能系統(tǒng)安全。
