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锂离子电池电力储能系统消防安全现状分析

北极星储能网  来源:储能科学与技术  作者:曹元成  2020/10/10 9:25:13  我要投稿  

北极星储能网讯:近年来,国内外发生的电力储能系统火灾引起大家对锂电池储能系统的普遍关注。据不完全统计,全世界范围内锂电池储能火灾安全事故在过去的一年内发生超过30起,造成了重大的财产损失。因此,在锂离子电池成本降低到商业化的拐点后,储能系统的消防安全问题就成为制约锂离子电池电力储能大规模推广的关键瓶颈。

本文来源:微信公众号 ID:esst2012

1 锂离子电池火灾特征分析

1.1 锂离子电池火灾机理分析

锂离子电池从结构上看,密闭的空间存储大量的能量,具有危险的本质,而“热失控”是导致锂离子电池安全隐患的根本原因,有机小分子引发的副反应的链式反应导致电池热失控的发生。

锂离子电池的热失控机理包括三个阶段:

第一阶段:锂电池热失控初期阶段。由于内外因素引起电池内部温度升高至90~100℃,负极表面的SEI钝化层分解释热量引起电池内部温度快速升高;当温度达到135℃时,隔膜开始融化收缩,正极与负极之间相互接触造成短路,从而引发电池的持续放热。

第二阶段:电池鼓包阶段。在温度约为250-350℃时负极C6Li或析出的锂与电解液中的有机溶剂发生反应,挥发出可燃的碳氢化合物气体(甲烷﹑乙烷),伴随大量产热。

第三阶段:电池热失控,爆炸失效阶段。在这个阶段中,充电状态下的正极材料与电解液继续发生剧烈的氧化分解反应,产生高温和大量有毒气体,导致电池剧烈燃烧甚至爆炸。

1.2锂离子电池电力储能系统火灾特征及蔓延特征

储能电池系统由十几组电芯以串并联方式构成电池箱,接着电池箱进行串联连接成电池组串,随后电池组串通过并联集成系统安置在一个储能电池柜内。

火灾蔓延过程,主要是由于首节电池单体热失控,通过热传质、热辐射引发相邻电池单体相继发生热失控,最终导致整个锂电池储能系统的发生火灾事故。

锂离子电池储能系统火灾具有与众不同的特点:(1)燃烧激烈﹑热蔓延迅速;(2)毒性强﹑烟尘大﹑危险性大;(3)易复燃﹑扑救难度大。

2 锂离子电池储能消防安全分析

2.1锂离子电池储能系统技术规范适用性不足

目前全球范围内已发布的一系列关于锂离子电池储能系统现有技术的相关标准,大多处于制定和摸索阶段。针对锂离子电池储能系统,从安全保障体系的角度,还需加大锂离子电池安全性技术研究力度,建立与电力储能应用相适应的标准体系。

2.2缺乏针对性的消防灭火剂

现有的灭火剂如干粉灭火剂对锂电池灭火几乎没有效果;卤代烷1301﹑CO2﹑七氟丙烷只能扑灭明火,无法从根本上抑制火灾发生,往往稍后会出现复燃,不具备降温和灭火的双重功能,对锂电池的火灾不具有适用性;水喷淋系统技术比较成熟,降温灭火效果明显,成本低廉且环境友好,但耗水量大,扑救时间长,扑灭火灾后将导致储能电站内的电池短路损坏而无法正常使用。

因此,针对锂电池,特别是大型储能锂电池系统的火灾隐患进行灭火防护,设计开发新型高效、防复燃灭火剂及灭火剂释放系统和装置,有利于锂离子电池储能系统的大规模商业化应用。

3 锂离子电池储能消防系统技术需求分析

3.1建立科学合理的消防测试模型及技术规范

目前,现有的锂电池消防灭火关键技术参数参差不齐,国内外也尚未创建关于锂电池火灾的测试模型,缺乏权威的技术评价规范,无法判断锂电池火灾事故的扑救效果。因此,需要从根本上厘清储能系统锂电池火灾特性,通过建立科学合理的消防测试模型进行锂电池火灾模拟实验,为锂电池火灾防控装置的测试及消防安全技术效果的全面评估提供技术支撑,从而来指导技术评价标准的建立与完善,对实际的应用提供技术依据。

3.2 设计开发新型灭火剂

针对现有消防灭火剂的不足,开发新型消防灭火剂具有紧迫性。结合锂电池热失控及热蔓延规律,设计靶向性的灭火剂,实现精准降温;通过对锂电池灭火剂的药品剂量、喷射方式、喷射压力、喷射时间、灭火浓度、灭火效率等功能参数进行优化,实现新型高效通用型灭火剂的设计。

此外,新型灭火剂的环保性能非常重要,是其能否被推广使用的另一项关键指标。需要考虑灭火剂施放后是否产生有毒有害产物造成污染、是否对电气系统造成腐蚀或降低绝缘性。

3.3集成化消防系统研究

锂电池消防系统不是彼此独立的单元,而是一个高度集成化的整体,各个组件间的集成对于整体系统功能的实现有着至关重要的影响。因此,消防系统各个部件需要集成研究,整体协同操作,使其相互无缝配合运行,发挥最佳效应,是提升消防系统系统灵活性和安全性的重要手段。未来,随着物联网、5G技术的推广,新型储能模式与消防方案增多,消防系统也将逐渐趋向集成化、智能化。

结 论

电化学储能系统在我国能源消费结构调整和可再生能源比例提升方面具有重要意义,针对现有电化学储能系统最紧迫的火灾及消防安全领域的关键技术进行攻关和研究非常必要。概括来说,通过锂离子电池火灾的特点及其发生和演化机理,验证现有的消防灭火技术对锂离子电池火灾的灭火效果与不足,基于典型预制仓式锂离子电池储能系统的消防灭火需求,建立科学合理的消防测试模型及技术规范,设计开发新型针对性的灭火剂,集成化、标准化锂离子电池储能消防系统,结合智慧消防与5G技术研制出针对锂离子电池储能系统消防安全防护技术规范与标准,解决目前大型锂离子电池储能系统因安全引发的一系列问题,提升现阶段电网储能的安全性和可靠性,为实现锂离子电池储能系统大规模的工程化与商业化应用提供必要的技术保障。


原标题:锂离子电池电力储能系统消防安全现状分析

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