鋰離子電池儲能系統火災抑制方法

楊 創，馮 鍵，鄭雨龍，饒雅睿

綜述

鋰離子電池儲能系統火災抑制方法

楊 創，馮 鍵，鄭雨龍，饒雅睿

（中船重工黃岡水中裝備動力有限公司，湖北黃岡 438000）

鋰離子電池具有熱失控的固有風險，這可能導致火災和爆炸的發生。本文重點介紹了抑制電池儲能系統中鋰離子電池火災的各種消防方法，包括水基自動噴水、細水霧、惰性氣體和清潔劑滅火系統。分析表明，由于鋰離子電池獨特的電化學特性，基于早期檢測和抑制熱失控傳播的個案方法對于大型鋰離子電池儲能系統的消防設計至關重要。

鋰離子電池 火災抑制 熱失控 儲能系統

0 引言

全球正推動化石能源向可再生能源轉型，高效的儲能系統是其中必不可少的一環，其中以鋰離子電池為基礎的儲能系統最為突出。鋰離子電池因其能量密度高、循環壽命長等特點而處于電池技術研究和應用的前沿，正是由于這些優勢，鋰離子電池在諸多應用場景中正快速的取代其他類型電池。鋰離子電池應用的例子從小型個人電子設備，如智能手機、智能手表等，到大型儲能裝置，如電動汽車、太陽能電站和風電場等。雖然鋰離子電池擁有諸多優點，但它具有熱失控的固有風險，這可能導致有害氣體（易燃、有毒或爆炸）的噴射、引起火災和爆炸。本文重點介紹各種抑制鋰離子電池儲能系統火災的消防方法。

1 鋰離子電池火災發生機理

鋰電池在發生失效、火災甚至爆炸行為之前，都要經歷熱失控階段[1]。當鋰電池內部化學放熱反應所產生的熱量未被及時耗散，使電池內部溫度達到電池隔膜損壞溫度時，將導致電極直接與電解液接觸，短時間內釋放大量熱量和可燃氣體，導致火災或爆炸的發生。熱失控常見的發生誘因及后果如圖1所示。與傳統的火災不同，鋰電池熱失控導致火災由內部化學反應提供燃料，該反應釋放熱量，可以在沒有氧氣供應或可見火焰的情況下繼續燃燒[2]。此外，鋰離子電池儲能系統中存儲的電能和電池模塊密集的布置方式對抑制火災也提出了重大挑戰。圖2顯示了2021年7月30日，世界上最大的電池儲能系統之一，位于澳大利亞維多利亞州的特斯拉Megapack儲能項目在測試中發生火災，一個集裝箱內的13噸鋰離子電池完全點燃，大火整整燃燒了4天才被撲滅。Megapack儲能項目的突發火災再次給鋰電池儲能系統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儲能項目發生火災

鋰離子電池儲能系統的布置方式是助推熱失控傳播的關鍵因素。如圖3所示，單個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。熱傳播可能是由于電池內部產生的熱量和釋放氣體的燃燒引起的，電池模塊內部的主要熱傳遞途徑是通過單個電芯外殼進行熱傳導，單個電芯火災產生的熱量可能在相鄰電池中引發熱失控，對于大型鋰離子電池儲能系統，這種現象會螺旋式地引發熱失控蔓延，影響整個模塊或電池簇，最終影響整個電池系統，如圖4所示。

圖3 電池系統組成

圖4 熱失控示意圖

2 火災抑制方法

2.1 水基自動噴水滅火系統

鋰電池火災本質上是熱失控引起的，滅火手段中降溫是一個重點，由于水的有效冷卻特性，水基自動噴水滅火系統被廣泛用于一般商品的消防，然而，應用于鋰離子電池儲能系統的水基自動噴水滅火系統的有效性還需要進一步研究。目前，水基滅火系統在抑制基于鋰離子電池的儲能系統大規模火災方面的總體有效性和實驗室數據還存在差距[3]。水基滅火系統的劣勢如下：

1）水的高電導率可能會導致電池短路，從而引發附加的起火風險。

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。

3）鋰離子電池火災用水會增加CO、H2和HF等廢氣、有毒氣體的生成。水會導致鋰離子電池內有機物不完全燃燒，從而產生有毒的CO而不是CO2；當使用水時，H2在不燃燒的情況下釋放，增加其了濃度；水與五氟化磷反應生成HF。

4）由于電池模塊密集的安裝結構，一旦停止用水，無法達到法冷卻效果時，電池內部可能會再次起火。

2.2 細水霧滅火系統

如圖5是細水霧滅火系統。細水霧的滅火機理主要是吸熱冷卻、隔氧窒息、輻射熱阻隔和浸濕作用[4]。當鋰電池出現火災時，細水霧噴頭瞬間噴射而出，直接作用于火焰表面，快速達到隔氧窒息效果，從而抑制火焰的燃燒。同時，細水霧霧滴粒徑大小為1 000 μm，而傳統噴水系統的液滴尺寸約為5 000 μm，細水霧受熱后極易氣化，這個蒸發的過程將帶走大量熱量，從而迅速冷卻火災區域。在實驗室規模的鋰電池火災中，細水霧滅火系統表現出了極好的電池降溫和阻止復燃的效果[5]。Zhang L等人[6]研究發現，向細水霧系統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。盡管細水霧滅火系統存在使用過程中將產生有害氣體等一些已知缺點，但在試驗室級別火災中所表現出的理想滅火效果，促使越來越多的鋰電池制造商選擇細水霧滅火系統。

圖5 細水霧系統

2.3 惰性氣體滅火系統

由于惰性氣體導電性低，作為滅火劑滅火后全部揮發，無殘留物，對環境無污染等特性，使得其廣泛應用電氣、電子元件機組等帶電作業等場合。研究發現，N2、CO2、He等惰性氣體的不燃、不支持燃燒的特性對由鋰離子電池熱失控引發的火災具有抑制作用[7]。當鋰離子電池儲能系統發生火災時，廢氣或煙霧探測系統激活，在封閉環境中使用惰性氣體可快速降低O2濃度，進而阻隔燃燒物與O2接觸，從而達到窒息的目的，以抑制火勢繼續蔓延。惰性氣體滅火系統與水基系統不同，氣體滅火劑可以深層次的穿透鋰離子電池火災，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

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

3 結語

目前，沒有一種單獨的滅火方法可以徹底、有效的解決鋰離子電池儲能系統火災問題。例如，基于鹵代烴的清潔劑或惰性氣體系統不足以防止大規模熱失控，而水基滅火系統在應對電芯火災時效果欠佳，同時外部短路還會增加損壞其他未受影響電池的風險。此外，這兩種滅火系統在用于鋰離子電池火災時都會產生有毒廢氣。

基于早期檢測和抑制熱失控傳播的防護策略可能是抑制鋰電池火災的最佳方案。由于每個鋰離子電池儲能系統都有其獨特的電化學特性，使其電池模塊布置和電池管理策略各不相同，因此，個案防火方法對于大型鋰離子電池儲能系統的消防設計至關重要。在未掌握可靠的特定鋰離子電池儲能系統火災抑制技術之前，一個將抑制鋰離子電池火災、防止熱失控傳播和對有毒氣體進行管理結合的個案方法可能是抑制鋰電池儲能系統火災的最佳途徑。

[1] 穆云磊.鋰電池在火災條件下熱失控數值模擬及耐火性數值研究[D]. 大連: 大連理工大學，2021.

[2] Wang Q, Mao B, Stoliarov SI, et al. A review of lithium ion battery failure mechanisms and fire prevention strategies. Prog Energy Combust Sci., 2019: 73, 95-131.

[3] Mikolajczak C, Kahn M, White K, Long RT. Lithium-Ion Batteries Hazard and Use Assessment. The Fire Protection Research Foundation, July, 2021.

[4] 卓萍, 高飛, 路世昌.不同滅火裝置對磷酸鐵鋰電池模組火災的滅火效果[J]. 消防科學與技術, 2022, 41(2): 152-155.

[5] 趙藍天, 金陽, 趙智興, 等.磷酸鐵鋰電池模組過充熱失控特性及細水霧滅火效果[J]. 電力工程技術, 2021, 40(1): 195-200.

[6] Zhang L, Duan Q, Liu Y, et al. Experimental investi -gation of water spray on suppressing lithium ion battery fires. Fire Saf J. 2021, 120: 103117.

[7] 王濤, 李明明, 常洪波, 等. 一種鋰離子電池箱充保護氣體的方法[P]. 中國: CN113500917 A, 2021.

[8] 唐文倩, 張杰, 周杰, 等. 新一代“綠色”滅火劑標準化趨勢探討[J]. 中國標準化化·新材料標準領航增刊, 2019: 96-99.

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