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锂离子蓄电池仓储的风险防范

  • 时间:2018-06-14 19:22
  • 来源中保网
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□吕华 姜冯辉 蔡利华

在当代社会,锂离子蓄电池的使用越来越广泛。其高能量密度的特性使之在众多领域得到应用,包括移动电子设备、交通工具、能量存储系统等等。在某些特定情况下,这种形式的电池有着严重的火灾风险。据公开报道,仅在2016年,国内锂离子电池产业相关火灾事件就有40余起,遍布在锂离子电池的生产、运输、应用、回收等各个环节。

目前,对于锂离子蓄电池及其仓储的消防研究还比较有限。在美国,已经有一些专业机构开展了这方面的研究,包括美国国家防火协会(NFPA)、美国消防研究基金会(FPRF)、美国法特瑞互助保险公司(FM Global),等等。

锂离子蓄电池的相关风险

锂离子蓄电池由正极、负极、隔膜、电解液组成,正负极浸润在电解液中,锂离子以电解液为介质在正负极之间运动,实现电池的充放电。在充放电过程中,锂离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。

如今的市场上有着各种类型的商业化的锂离子蓄电池。比如,通常用在手机及移动电子设备上的锂钴氧化物电池,还有通常用在电动工具上的锂镍锰钴电池。工业研究将继续发展更多类型的锂离子蓄电池,其特性各不相同。目前来说,尚不清楚这些特性是如何影响火灾风险的。

在一个锂离子蓄电池相关的火灾中,一个电池可能释放的总能量包括它的电能(容量)、荷电状态(剩余电量)以及可燃物负荷(电池的外壳和包装材料)。任何其中一种能量的增加都有可能会增加火灾的风险。

锂离子蓄电池存在着一些消防方面的挑战,包括热失控的可能性和锂离子蓄电池中易燃的电解液的存在。其中,热失控可导致电池的自燃,其在火灾中相当于是火源。另外,如果火灾发生在锂离子蓄电池的仓储中,其燃烧会很剧烈,需要专门研究,加强其保护。

热失控指的是一个电池的快速自热反应。它可能发生在几乎所有化学物质的电池中,而不仅仅是锂电池。在一个热失控的反应中,一个电池迅速释放其储存的能量。此外,热失控最有可能发生在充电过程中,或在电池充电完成后的瞬间。鉴于有限的研究,目前还不可能去具体评估这些变量是如何影响火灾整体的严重性或者可能性。

锂离子蓄电池中的电解质是可燃的。在电池破坏的情况下,如果暴露在点火源中,电解液可能会泄漏到环境中,并持续燃烧。其他电池中的电解液,包括镍镉、镍氢和铅酸,都是不可燃的。在锂离子电池中,电解液允许锂离子在阴极和阳极之间转移(在放电过程中)。锂离子蓄电池中的电解质含量并不确定,它随着电池容量、电池密度和电池的化学性质变化而变化。

在电池的仓储设施里,电池损坏可能是由外部或内部原因造成的。外部原因包括一场与电池无关的火灾导致其热失控,以及机械破坏,例如不善的处理(电池掉落或者被铲车撞破)。内部原因包括电气问题(电池被过度充电,过度放电或者短路),以及由于制造缺陷引起的内部故障。任何这些故障都有可能导致热失控和电解质的泄漏。

锂离子蓄电池的消防保护

首先,有一种误解是,人们可能认为水会增加锂电池起火的风险,这可能是由于对锂离子电池与金属锂电池的混淆。金属锂电池含有自由的锂金属,如果水被使用到燃烧的锂金属上,那么大量的氢气将被释放。这些气体将会燃烧,加剧火灾的发展,从而导致快速升温和类似爆炸的效应。然而,与金属锂电池不同的是,锂离子蓄电池中并没有游离的锂金属,因此这种现象是不可能发生的。

对于少量的锂离子蓄电池存储,建议将其存放在可靠的可燃液体安全柜内,或者放置于一个隔离的房间内。其目的在于防止锂离子蓄电池自燃并引燃其他可燃物,进而导致火灾的蔓延及失控。

如果锂离子蓄电池大量存放在仓库中,不管是堆放在地上还是存放在货架中,针对其剧烈燃烧的火灾风险,最佳的灭火措施便是提供充足的喷淋保护。如果没有足够的喷淋保护,那么很有可能大量的电池会被火灾影响,并导致电池的热失控。而一旦热失控开始发生,临近的电池会发生热失控的连锁反应,并导致火灾的失控。

目前,还没有针对保护仓库中存储的锂离子蓄电池的公开标准或者指导方案。正在进行的研究也仅限于保护在纸箱中存储的锂离子蓄电池。

含有锂离子蓄电池的设备(例如电动工具、笔记本电脑)的存储并不会带来同样类型的危险,因为设备本身会将电池包裹起来, 进而延缓电池直接暴露于火灾中。因此,对于这些商品的存储的保护,通常是基于商品的货物等级的分类。而货物等级的分类通常是由产品本身、包装材料和货物托盘所决定的。

美国法特瑞互助保险公司(FM Global)通过美国国家防火协会(NFPA)及美国消防研究基金会(FPRF)与财产保险研究组(PIRG)联合完成了一个多阶段的项目。FM Global对储存在纸箱包装中锂离子蓄电池进行了中等规模的自由燃烧试验。在这些试验的基础上,得出的结论是,随着电池容量的增加及充电量的增加,电池的相关风险也会增加。测试还表明,大尺寸电池比小尺寸电池更早被点燃。

在2016年,FM Global还开展了相关全尺寸火灾测试,以研究喷淋系统对锂离子蓄电池仓储火灾的控制。针对在纸箱中存储的不同类型的锂离子蓄电池,这个研究项目提供了如下保护建议:

锂离子聚合物袋装式蓄电池(容量不大于20 Ah,剩余电量不大于50%)和锂离子圆柱状蓄电池(容量不大于2.6 Ah,剩余电量不大于50%);喷头流量系数为K320, 喷头最低工作压力为2.4 巴,作用面积内开放的喷头数量为12个;锂离子蓄电池包(例如由18650型的圆柱形蓄电池组成,总容量不大于26 Ah,剩余电量不大于50%)。

锂离子蓄电池的开发应用还将继续。更多的由内燃机驱动的汽车将转向电力驱动,这也将增加对电池的需求。公司和家庭也可能会使用大型蓄电池单元来储存可再生能源。因此,研发低危险性的锂离子蓄电池以及加强对锂离子蓄电池火灾保护的研究也将显得尤为重要。

(作者系美国法特瑞相互保险公司FM GLOBAL高级工程师)