如何防止锂离子电池储能系统热失控

江森自控公司工程消防产品经理Derek Sandahl日前对如何防止锂离子电池热失控并引发火灾的最佳方法进行了分析和探讨。他在发表的一篇文章中指出，安全管理锂离子电池储能系统应该成为储能行业头等大事。
如今很多国家都制定了雄心勃勃的减排目标，以减少全球碳排放量。由此产生的对可再生能源的投资正在推动储能系统（ESS）行业的快速增长。根据调研机构的预计，2018年到2026年，全球储能市场规模将以35％复合年增长率增长。
锂离子电池储能系统如今成为全球一种主流的储能技术。根据目前的发展速度，到2026年，全球电池储能市场规模预计将达到230亿美元。风力发电场、太阳能发电场和数据中心选择采用锂离子电池储能系统的原因很多，其中包括成本可承受性。一方面，锂离子电池具有很高的能量密度，并且在容量方面具有更高的扩展潜力。另一方面，其自放电率也相对较低，不到镍基电池的一半。并且锂离子电池几乎不需要维护，也不需要定期放电。
尽管锂离子电池具有很多优点，但也有一些局限性。锂离子电池需要采用复杂的电池管理系统（BMS），以确保它们在受控参数（如电压、温度和充电状态）范围内工作，这些参数会随着电池的性能退化而调整。如果管理不当，或者电池遭受其他形式的滥用，可能导致电池故障的风险，增加热失控和火灾的风险。
而主要采用锂离子电池的行业厂商需要一种新的、全面的解决方案，以有效检测电池故障并进行干预，以防止热失控以及引发火灾的危险。
热失控的危险
如果电池遭受滥用，可能会导致热失控，从而释放有毒和可燃气体。单个电池单元中发生的热失控会迅速扩散，从而导致相邻电池单元的热失控级联。热失控可能最终导致灾难性的火灾事件。
众所周知，锂离子电池如果起火很难扑灭。采用气体抑制和喷淋消防系统根本无效。虽然这样的消防系统可以减缓火势的增长和热量，但一旦热失控开始，还不足以完全扑灭火势。扑灭这类火灾的最有效方法是在数小时甚至数天的时间内采用大量的水扑灭。在许多地方，尤其是那些偏远的地方或缺水的地方，难以采用这种做法，甚至是无法实现的。
不幸的是，储能行业最近几年发生了许多这样的火灾事件。2017年11月，部署在比利时布鲁塞尔附近的一个并网连接的锂离子电池储能系统发生的火灾产生大量有毒烟雾，迫使当地居民在家躲避。2019年4月，APS公司在亚利桑那州运营的一个锂离子电池储能系统发生火灾并导致爆炸，造成当地4名消防员受伤。在这些火灾发生后，美国能源开发商如今将电池储能系统的安全作为重点。而在2017年至2019年之，韩国发生了28起电池储能系统火灾，导致522个电池储能系统的部署被暂停或取消。
了解电池故障的各个阶段有助于找到解决方案
为了防止此类事件再次发生，了解电池故障的各个阶段至关重要。可以划分为预防和控制区域，并且分为四个阶段：
1.预防区域
第一阶段：电池滥用。
在第一阶段，热量、电气或机械故障会导致电池损坏，从而导致电池温度和压力升高。
第二阶段：产生易燃的废气。
随着电池温度和压力的升高，易燃气体从电池中排出。这是必须采取措施避免热失控和火灾的关键点。
第三阶段：热失控
热失控标志着防护区域的尽头和遏制区域的开始。温度迅速上升几百度，并产生出烟雾。正是在这一点上，灾难性的失败迫在眉睫。
2.控制区域
第四阶段：起火
电池在热失控后开始起火。锂离子电池机架的结构可以最大程度地提高电池的部署密度，但同时也可以使火势迅速蔓延。在起火之后，火势很容易转移到相邻的电池和建筑材料上，并将变得无法控制。
仔细观察这四个阶段，可以发现早期干预是防止热失控的理想时刻。在理想情况下，应在预防区域内发生反应，但这需要在第一或第二阶段进行检测。如果在开始发生热失控之前可以检测到废气，并及时断开发生故障的电池，则可以避免火灾危险。
尽早干预可防止热失控
正如分析锂离子电池故障的四个阶段所显示的那样，检测到的最佳预警信号之一是废气的释放。根据定义，废气是电池化学反应过程的副产物。当锂离子电池开始出现故障时，这个化学过程会从电池单元中产生电解质蒸汽。这种废气是在电池单元损坏发生后不久以及热失控开始前几分钟产生的。
锂离子电池发生故障最终也会产生可检测到的烟雾，但是只有在热失控开始之后才可以检测到。通过检测废气的存在，可以及时处理受影响的电池以防止热失控。
综合解决方案使早期干预成为可能
有效的预防锂离子电池风险解决方案采用监视和参考传感器，可以持续检查电池机架中是否存在锂离子电池产生的废气。参考传感器将周围环境空气数据提供给控制器，同时监视电池机架内的传感器以获取与锂离子电池附近空气有关的数据。这些传感器可以检测浓度低至百万分之一（ppm）的锂离子电池的废气。
这个风险防范系统旨在断开电池连接，并在不到五秒钟的时间内防止热失控。但是，即使在断开电池之后，仍可能存在易燃气体。除非该区域足够大或可以进行通风，否则这些废气仍可能引起火灾。
这是进行火灾探测和灭火发挥作用的地方。如果使用惰性气体，气体灭火系统可用于在释放出废气后对其空间进行惰化。这可以帮助降低废气燃烧的可能性。惰性系统的释放点需要仔细考虑才能有效，并且可能需要与其他系统进行集成。
在规定的设计浓度下，消防系统可用于帮助保护电池免受火源（例如A类材料）和其他电子组件故障的伤害，它们可能会成为点燃电池的热源。
将废气检测与火灾检测和抑制相结合，可提供所需的早期干预，以帮助防止电池出现热失控和发生火灾的危险。该系统不需要与电池单元进行电气或机械接触，本质上是对现有消防系统的升级，使其能够在带电的工作环境中工作。
预计在未来五年内，使用锂离子电池的储能系统的数量将会显著增加。由于锂离子电池可能会发生故障和火灾，而且往往没有什么预警，因此，在最坏的情况发生之前，检测并防止热失控比以往任何时候都更为重要。将早期的废气检测与火灾检测、抑制或惰化系统相结合，可以提供一种整体解决方案，该解决方案可以提供所需的早期预警，加强电池储能系统安全。