锂离子电池储能系统火灾抑制方法

杨 创，冯 键，郑雨龙，饶雅睿

综述

锂离子电池储能系统火灾抑制方法

杨 创，冯 键，郑雨龙，饶雅睿

（中船重工黄冈水中装备动力有限公司，湖北黄冈 438000）

锂离子电池具有热失控的固有风险，这可能导致火灾和爆炸的发生。本文重点介绍了抑制电池储能系统中锂离子电池火灾的各种消防方法，包括水基自动喷水、细水雾、惰性气体和清洁剂灭火系统。分析表明，由于锂离子电池独特的电化学特性，基于早期检测和抑制热失控传播的个案方法对于大型锂离子电池储能系统的消防设计至关重要。

锂离子电池 火灾抑制 热失控 储能系统

0 引言

全球正推动化石能源向可再生能源转型，高效的储能系统是其中必不可少的一环，其中以锂离子电池为基础的储能系统最为突出。锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长等特点而处于电池技术研究和应用的前沿，正是由于这些优势，锂离子电池在诸多应用场景中正快速的取代其他类型电池。锂离子电池应用的例子从小型个人电子设备，如智能手机、智能手表等，到大型储能装置，如电动汽车、太阳能电站和风电场等。虽然锂离子电池拥有诸多优点，但它具有热失控的固有风险，这可能导致有害气体（易燃、有毒或爆炸）的喷射、引起火灾和爆炸。本文重点介绍各种抑制锂离子电池储能系统火灾的消防方法。

1 锂离子电池火灾发生机理

锂电池在发生失效、火灾甚至爆炸行为之前，都要经历热失控阶段[1]。当锂电池内部化学放热反应所产生的热量未被及时耗散，使电池内部温度达到电池隔膜损坏温度时，将导致电极直接与电解液接触，短时间内释放大量热量和可燃气体，导致火灾或爆炸的发生。热失控常见的发生诱因及后果如图1所示。与传统的火灾不同，锂电池热失控导致火灾由内部化学反应提供燃料，该反应释放热量，可以在没有氧气供应或可见火焰的情况下继续燃烧[2]。此外，锂离子电池储能系统中存储的电能和电池模块密集的布置方式对抑制火灾也提出了重大挑战。图2显示了2021年7月30日，世界上最大的电池储能系统之一，位于澳大利亚维多利亚州的特斯拉Megapack储能项目在测试中发生火灾，一个集装箱内的13吨锂离子电池完全点燃，大火整整燃烧了4天才被扑灭。Megapack储能项目的突发火灾再次给锂电池储能系统消防安全敲响了警钟。

图1 热失控诱因及后果

图2 特斯拉Megapack储能项目发生火灾

锂离子电池储能系统的布置方式是助推热失控传播的关键因素。如图3所示，单个锂离子电芯组装成为电池模块，模块堆叠在电池架中成为电池簇，最后一系列电池簇组成电池系统。热传播可能是由于电池内部产生的热量和释放气体的燃烧引起的，电池模块内部的主要热传递途径是通过单个电芯外壳进行热传导，单个电芯火灾产生的热量可能在相邻电池中引发热失控，对于大型锂离子电池储能系统，这种现象会螺旋式地引发热失控蔓延，影响整个模块或电池簇，最终影响整个电池系统，如图4所示。

图3 电池系统组成

图4 热失控示意图

2 火灾抑制方法

2.1 水基自动喷水灭火系统

锂电池火灾本质上是热失控引起的，灭火手段中降温是一个重点，由于水的有效冷却特性，水基自动喷水灭火系统被广泛用于一般商品的消防，然而，应用于锂离子电池储能系统的水基自动喷水灭火系统的有效性还需要进一步研究。目前，水基灭火系统在抑制基于锂离子电池的储能系统大规模火灾方面的总体有效性和实验室数据还存在差距[3]。水基灭火系统的劣势如下：

1）水的高电导率可能会导致电池短路，从而引发附加的起火风险。

2）为了防止热失控蔓延，需要消耗大量水将电池冷却到临界温度以下，造成一定程度的水资源浪费。

3）锂离子电池火灾用水会增加CO、H2和HF等废气、有毒气体的生成。水会导致锂离子电池内有机物不完全燃烧，从而产生有毒的CO而不是CO2；当使用水时，H2在不燃烧的情况下释放，增加其了浓度；水与五氟化磷反应生成HF。

4）由于电池模块密集的安装结构，一旦停止用水，无法达到法冷却效果时，电池内部可能会再次起火。

2.2 细水雾灭火系统

如图5是细水雾灭火系统。细水雾的灭火机理主要是吸热冷却、隔氧窒息、辐射热阻隔和浸湿作用[4]。当锂电池出现火灾时，细水雾喷头瞬间喷射而出，直接作用于火焰表面，快速达到隔氧窒息效果，从而抑制火焰的燃烧。同时，细水雾雾滴粒径大小为1 000 μm，而传统喷水系统的液滴尺寸约为5 000 μm，细水雾受热后极易气化，这个蒸发的过程将带走大量热量，从而迅速冷却火灾区域。在实验室规模的锂电池火灾中，细水雾灭火系统表现出了极好的电池降温和阻止复燃的效果[5]。Zhang L等人[6]研究发现，向细水雾系统中添加表面活性剂和凝胶剂还能有效减少灭火和冷却相邻模块所需的水量。尽管细水雾灭火系统存在使用过程中将产生有害气体等一些已知缺点，但在试验室级别火灾中所表现出的理想灭火效果，促使越来越多的锂电池制造商选择细水雾灭火系统。

图5 细水雾系统

2.3 惰性气体灭火系统

由于惰性气体导电性低，作为灭火剂灭火后全部挥发，无残留物，对环境无污染等特性，使得其广泛应用电气、电子元件机组等带电作业等场合。研究发现，N2、CO2、He等惰性气体的不燃、不支持燃烧的特性对由锂离子电池热失控引发的火灾具有抑制作用[7]。当锂离子电池储能系统发生火灾时，废气或烟雾探测系统激活，在封闭环境中使用惰性气体可快速降低O2浓度，进而阻隔燃烧物与O2接触，从而达到窒息的目的，以抑制火势继续蔓延。惰性气体灭火系统与水基系统不同，气体灭火剂可以深层次的穿透锂离子电池火灾，但气体的冷却性能较差，通常无法阻止热传播蔓延。

2.4 清洁剂灭火系统

基于卤代烃的清洁剂系统，如Novec 1230、FM-200等“绿色”灭火系统正逐渐被各国消防管理部门认可并广泛地使用[8]。清洁剂系统灭火系统，能够结合物理的和化学的反应过程，迅速有效地消除热能，阻止火灾的发生。清洁灭火剂的物理特性表现在其分子汽化阶段能迅速冷却火焰温度，并且在化学反应过程中释放游离基，能最终阻止燃烧的连锁反应，可能能够抑制初期锂离子电池所引发的火灾。惰性气体灭火系统在使用时存在缺氧窒息危险，卤代烃类清洁剂的主要缺点是暴露在高温下可能形成二次有毒和腐蚀性产物[2]，会对消防人员生命安全造成威胁。

3 结语

目前，没有一种单独的灭火方法可以彻底、有效的解决锂离子电池储能系统火灾问题。例如，基于卤代烃的清洁剂或惰性气体系统不足以防止大规模热失控，而水基灭火系统在应对电芯火灾时效果欠佳，同时外部短路还会增加损坏其他未受影响电池的风险。此外，这两种灭火系统在用于锂离子电池火灾时都会产生有毒废气。

基于早期检测和抑制热失控传播的防护策略可能是抑制锂电池火灾的最佳方案。由于每个锂离子电池储能系统都有其独特的电化学特性，使其电池模块布置和电池管理策略各不相同，因此，个案防火方法对于大型锂离子电池储能系统的消防设计至关重要。在未掌握可靠的特定锂离子电池储能系统火灾抑制技术之前，一个将抑制锂离子电池火灾、防止热失控传播和对有毒气体进行管理结合的个案方法可能是抑制锂电池储能系统火灾的最佳途径。

[1] 穆云磊.锂电池在火灾条件下热失控数值模拟及耐火性数值研究[D]. 大连: 大连理工大学，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, 高飞, 路世昌.不同灭火装置对磷酸铁锂电池模组火灾的灭火效果[J]. 消防科学与技术, 2022, 41(2): 152-155.

[5] 赵蓝天, 金阳, 赵智兴, 等.磷酸铁锂电池模组过充热失控特性及细水雾灭火效果[J]. 电力工程技术, 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] 王涛, 李明明, 常洪波, 等. 一种锂离子电池箱充保护气体的方法[P]. 中国: CN113500917 A, 2021.

[8] 唐文倩, 张杰, 周杰, 等. 新一代“绿色”灭火剂标准化趋势探讨[J]. 中国标准化化·新材料标准领航增刊, 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

杨创（1994-），男，助理工程师。研究方向：新能源动力电池。E-mail: 873659776@qq.com