研究背景
近年來，國內外發(fā)生的電力儲能系統(tǒng)火災引起大家對鋰電池儲能系統(tǒng)的普遍關注。據不完全統(tǒng)計，全世界范圍內鋰電池儲能火災安全事故在過去的一年內發(fā)生超過30起，造成了重大的財產損失。因此，在鋰離子電池成本降低到商業(yè)化的拐點后，儲能系統(tǒng)的消防安全問題就成為制約鋰離子電池電力儲能大規(guī)模推廣的關鍵瓶頸。
重點內容導讀
1、鋰離子電池火災特征分析
1.1、鋰離子電池火災機理分析
鋰離子電池從結構上看，密閉的空間存儲大量的能量，具有危險的本質，而“熱失控”是導致鋰離子電池安全隱患的根本原因，有機小分子引發(fā)的副反應的鏈式反應導致電池熱失控的發(fā)生。
鋰離子電池的熱失控機理包括三個階段：
第一階段：鋰電池熱失控初期階段。由于內外因素引起電池內部溫度升高至90~100℃，負極表面的SEI鈍化層分解釋熱量引起電池內部溫度快速升高；當溫度達到135℃時，隔膜開始融化收縮，正極與負極之間相互接觸造成短路，從而引發(fā)電池的持續(xù)放熱。
第二階段：電池鼓包階段。在溫度約為250-350℃時負極C6Li或析出的鋰與電解液中的有機溶劑發(fā)生反應，揮發(fā)出可燃的碳氫化合物氣體(甲烷﹑乙烷)，伴隨大量產熱。
第三階段：電池熱失控，爆炸失效階段。在這個階段中，充電狀態(tài)下的正極材料與電解液繼續(xù)發(fā)生劇烈的氧化分解反應，產生高溫和大量有毒氣體，導致電池劇烈燃燒甚至爆炸。
1.2、鋰離子電池電力儲能系統(tǒng)火災特征及蔓延特征
儲能電池系統(tǒng)由十幾組電芯以串并聯方式構成電池箱，接著電池箱進行串聯連接成電池組串，隨后電池組串通過并聯集成系統(tǒng)安置在一個儲能電池柜內。
火災蔓延過程，主要是由于首節(jié)電池單體熱失控，通過熱傳質、熱輻射引發(fā)相鄰電池單體相繼發(fā)生熱失控，最終導致整個鋰電池儲能系統(tǒng)的發(fā)生火災事故。
鋰離子電池儲能系統(tǒng)火災具有與眾不同的特點：（1）燃燒激烈﹑熱蔓延迅速；（2）毒性強﹑煙塵大﹑危險性大；（3）易復燃﹑撲救難度大。
2、鋰離子電池儲能消防安全分析
2.1鋰離子電池儲能系統(tǒng)技術規(guī)范適用性不足
目前全球范圍內已發(fā)布的一系列關于鋰離子電池儲能系統(tǒng)現有技術的相關標準，大多處于制定和摸索階段。針對鋰離子電池儲能系統(tǒng)，從安全保障體系的角度，還需加大鋰離子電池安全性技術研究力度，建立與電力儲能應用相適應的標準體系。
2.2、缺乏針對性的消防滅火劑
現有的滅火劑如干粉滅火劑對鋰電池滅火幾乎沒有效果；鹵代烷1301﹑CO2﹑七氟丙烷只能撲滅明火，無法從根本上抑制火災發(fā)生，往往稍后會出現復燃，不具備降溫和滅火的雙重功能，對鋰電池的火災不具有適用性；水噴淋系統(tǒng)技術比較成熟，降溫滅火效果明顯，成本低廉且環(huán)境友好，但耗水量大，撲救時間長，撲滅火災后將導致儲能電站內的電池短路損壞而無法正常使用。
因此，針對鋰電池，特別是大型儲能鋰電池系統(tǒng)的火災隱患進行滅火防護，設計開發(fā)新型高效、防復燃滅火劑及滅火劑釋放系統(tǒng)和裝置，有利于鋰離子電池儲能系統(tǒng)的大規(guī)模商業(yè)化應用。
3、鋰離子電池儲能消防系統(tǒng)技術需求分析
3.1建立科學合理的消防測試模型及技術規(guī)范
目前，現有的鋰電池消防滅火關鍵技術參數參差不齊，國內外也尚未創(chuàng)建關于鋰電池火災的測試模型，缺乏權威的技術評價規(guī)范，無法判斷鋰電池火災事故的撲救效果。因此，需要從根本上厘清儲能系統(tǒng)鋰電池火災特性，通過建立科學合理的消防測試模型進行鋰電池火災模擬實驗，為鋰電池火災防控裝置的測試及消防安全技術效果的全面評估提供技術支撐，從而來指導技術評價標準的建立與完善，對實際的應用提供技術依據。
3.2、設計開發(fā)新型滅火劑
針對現有消防滅火劑的不足，開發(fā)新型消防滅火劑具有緊迫性。結合鋰電池熱失控及熱蔓延規(guī)律，設計靶向性的滅火劑，實現精準降溫；通過對鋰電池滅火劑的藥品劑量、噴射方式、噴射壓力、噴射時間、滅火濃度、滅火效率等功能參數進行優(yōu)化，實現新型高效通用型滅火劑的設計。
此外，新型滅火劑的環(huán)保性能非常重要，是其能否被推廣使用的另一項關鍵指標。需要考慮滅火劑施放后是否產生有毒有害產物造成污染、是否對電氣系統(tǒng)造成腐蝕或降低絕緣性。
3.3、集成化消防系統(tǒng)研究
鋰電池消防系統(tǒng)不是彼此獨立的單元，而是一個高度集成化的整體，各個組件間的集成對于整體系統(tǒng)功能的實現有著至關重要的影響。因此，消防系統(tǒng)各個部件需要集成研究，整體協同操作，使其相互無縫配合運行，發(fā)揮最佳效應，是提升消防系統(tǒng)系統(tǒng)靈活性和安全性的重要手段。未來，隨著物聯網、5G技術的推廣，新型儲能模式與消防方案增多，消防系統(tǒng)也將逐漸趨向集成化、智能化。
結 論
電化學儲能系統(tǒng)在我國能源消費結構調整和可再生能源比例提升方面具有重要意義，針對現有電化學儲能系統(tǒng)最緊迫的火災及消防安全領域的關鍵技術進行攻關和研究非常必要。概括來說，通過鋰離子電池火災的特點及其發(fā)生和演化機理，驗證現有的消防滅火技術對鋰離子電池火災的滅火效果與不足，基于典型預制倉式鋰離子電池儲能系統(tǒng)的消防滅火需求，建立科學合理的消防測試模型及技術規(guī)范，設計開發(fā)新型針對性的滅火劑，集成化、標準化鋰離子電池儲能消防系統(tǒng)，結合智慧消防與5G技術研制出針對鋰離子電池儲能系統(tǒng)消防安全防護技術規(guī)范與標準，解決目前大型鋰離子電池儲能系統(tǒng)因安全引發(fā)的一系列問題，提升現階段電網儲能的安全性和可靠性，為實現鋰離子電池儲能系統(tǒng)大規(guī)模的工程化與商業(yè)化應用提供必要的技術保障。
團隊介紹
華中科技大學電氣學院曹元成教授團隊，主要研究方向為高安全低成本電固態(tài)化學儲能關鍵材料與裝備，在高安全、高比能、長壽命儲能材料與電池工藝等方面取得了一系列原創(chuàng)性的成果。發(fā)表SCI論文100余篇，包括Nano Energy、Materials Today、Materials Today Energy、 Joule 等，多篇入選ESI高被引論文，申請專利30項。
通訊作者：曹元成
第一作者：李首頂
