加强锂离子储能系统消防安全：从风险、原理到标准规范全解析
摘要：
中国储能网讯：日前，Leeward Renewable Energy公司工程师Drew Bandhauer就锂离子电池化... 中国储能网讯：日前，Leeward Renewable Energy公司工程师Drew Bandhauer就锂离子电池化学成分的变革如何帮助储能系统运营商管控消防安全风险以及行业标准如何随着技术进步而持续发展进行了深入探讨。
随着电池储能系统部署数量和规模快速增长，深入了解其运行机制是安全高效地发挥其全部潜能的关键。
理解电池储能系统安全：管理热失控
当电池单元或模块受到机械或电化学应力时，就会发生热失控，从而导致短路、产生大电流和温度急剧升高。这种热量可以迅速传播，造成“失控”效应。热失控的关键标志之一是排气现象，即从电池单元中喷出高温气体（见图1）。冒烟通常是热失控问题首先出现的明显迹象，而冒烟之后通常出现的起火则表明问题更为严重，如图2所示。
图1对圆柱形锂离子电池进行排气测试
确保锂离子电池安全运行至关重要，主动措施是安全管理潜在故障的关键。如今，储能系统制造商（OEM）提供的电池储能系统都配备了先进的安全功能，可以防止过流和过压等可能导致系统故障。
图2 UL研究所进行的锂离子电池滥用/点火测试，其中左侧是电池冒烟，右侧是电池燃烧
严格的质量控制流程与电池技术进步显著降低了用户对热失控的担忧。固体电解质界面（SEI）层在电池性能中发挥着至关重要的作用，它能防止电解质分解。结构良好的SEI层以及定期进行的维护与监测，可使电池寿命延长多达25%。此外，技术创新与严格的安全标准不断提升电池储能系统的可靠性。
这些进步包括能够检测早期迹象的潜在问题先进监测系统、用于缓解内部压力积聚的主动与被动通风装置、改善电池组件间隔热性能以限制热量与火势蔓延的措施，以及诸如液冷等有助于管理系统热量以防止热失控的冷却方法。
凭借这些保护措施与持续创新，如今的电池储能解决方案更加安全、更具弹性，能够自信地满足日益增长的能源需求。
不同化学成分的电池的性能和稳定性比较
在2010年代，随着美国部署的公用事业规模储能系统不断增长，镍锰钴（NMC）三元锂电池成为主流。镍钴铝（NCA）电池则占有较小的市场份额。NMC电池采用不同的成分组合：钴含量较高可以提升性能与热稳定性，而镍含量较高则可以降低成本，但会影响性能与稳定性。
各种电池的热失控行为
在NFPA 855和UL 9540A等电池安全标准制定之前，NMC电池得到了广泛应用。随着这些标准的采用，电池储能行业迅速转向磷酸铁锂电池（LFP）。与NMC或NCA电池相比，LFP电池在大规模火灾测试（LSFT）中表现出更低的加热速率，获得了更有利的结果。
相比之下，NMC电池和NCA电池往往需要额外的安全措施，如增强型防火屏障或抑制系统，以降低热失控事件风险。随着安全标准的进步，LFP电池技术也不断发展。其性能的改善与安全性的增强使其成为电池储能系统应用的首选，为构建更安全可靠的能源基础设施提供了有力支撑。
现行标准与新兴技术
2018年到2023年，在采用更严格的储能系统消防安全标准的推动下，电池储能系统安全实践取得了重大进展。
其中关键标准包括：
UL 9540：该标准规定了电池储能系统的整体设计要求，确保电池储能系统在电气、机械、环境及系统安全等各个方面均符合标准。
UL 9540A：该标准通过诱发热失控，在电池单元、模块、机架/单元及大规模层面进行测试，确保热失控不会蔓延至相邻电池单元。
NFPA 855：指导电池储能系统现场设计和安装的主要消防标准。并得到关键的子标准支持，其中包括：
NFPA 68：该标准为设计和安装爆燃通风系统提供了指导，通过安全释放快速燃烧事件产生的压力，保护建筑物与设备。这些通风装置对热失控具有反应性。
NFPA 69：该标准阐述了设备和建筑物内防爆系统的设计与实施方法，重点通过主动通风与压力释放降低危险燃烧事件发生的可能性。
NFPA 72：该标准规定了烟雾探测器、报警信号装置、火警站、热探测器、火灾报警控制面板及相关设备的安全规范。
这些标准确立了电池储能系统安全设计的基本要求，确保热失控事件被控制在封闭空间内，防止其扩散，并有效降低不受控火灾的风险，从而显著提升电池储能系统安全性。
固态电池与非锂离子电池等新兴技术正为更安全、更可持续的替代方案铺平道路，包括不可燃且无毒的电池储能解决方案。钠离子等非锂离子电池或将会取代锂离子电池，就像NMC电池在2010年代后期被LFP电池取代一样，而提供更安全、更经济的替代方案，标志着电池储能行业的重大变革。
致力于开发与采用这些电池，体现了电池储能行业对安全、可持续性与长期弹性的坚定承诺。集成下一代储能解决方案在加强电池储能系统可靠性的同时，推动着更清洁、更安全的能源未来。
作者：刘伯洵来源：中国储能网
