鋰離子電池在家庭環(huán)境中的廣泛應用——為電動滑板車、電動汽車到儲能系統(tǒng)的各種設備提供動力——預計在未來幾年將持續(xù)增長，這迫使消防部門重新考量其對住宅火災的應對措施。
在過去的幾年里，美國消防安全研究所 (FSRI) 和 UL 解決方案研發(fā)部的工程師團隊一起，針對鋰離子電池——用于大型儲能系統(tǒng) (ESS) 進行加熱測試研究。
研究數(shù)據(jù)顯示，雖然故障率有限，但如果沒有足夠的保護措施，一旦發(fā)生故障極可能引發(fā)嚴重后果。因此，大型鋰離子電池（用于家庭、車輛、電動自行車、電動滑板車等）的廣泛使用引起了消防部門的關注。
實驗視頻記錄顯示：一個單獨的電池單元，周圍捆綁十幾個相同的電池單元，被有意地送入所謂的熱失控狀態(tài)，即化學失效導致熱量迅速上升，直到電池幾乎發(fā)出白熱的光，就像是剛從高爐中出來的鐵塊一樣。強烈的熱量迅速傳播到相鄰的電池單元，這些電池單元也進入熱失控狀態(tài)，進而觸發(fā)更多的電池單元失效。通常，當電池外殼破裂時會發(fā)出巨大的爆炸聲，伴隨著一大團易燃的渾濁白煙。隨著每個電池單元內部壓力的增加，會有更多的爆炸聲，每一聲都會釋放更多的氣體。
這些氣體由二氧化碳、一氧化碳、氫和碳氫氣體混合而成，看起來像是從通風受限的火災中排出的煙霧。然而，巴洛維將其描述為“超級煙霧”，因為其燃燒速度相對較高，最低點火能量較低。電池直接釋放的氣體具有足夠的反應性，“我們認為尚未點燃的熱失控就像是丙烷泄漏一樣”，他說。
爆炸危險會在氣體繼續(xù)積聚而不點燃的情況下產(chǎn)生。在一項 UL 測試中，封閉的測試空間充滿了濃密危險的霧氣，繼而發(fā)生燃爆。當燃爆發(fā)生時，產(chǎn)生的壓力有可能會對測試空間沉重的車庫門猛烈沖擊，甚至使其被沖飛至數(shù)十英尺。在其他測試中，氣體幾乎立即著火，隨著每次爆炸，火焰會不斷增長，直到形成沸騰的火海。
國外制造商正在采取措施降低鋰離子電池故障率，許多制造商優(yōu)先考慮適當?shù)墓こ淘O計，以降低危險的頻率和嚴重程度——迄今為止，這些做法已經(jīng)導致大型鋰離子電池的失效率較低。
UL 消防安全研究所目前正在進行研究，以更好地了解大型鋰離子電池系統(tǒng)在失效時的反應，這對消防部門來說是一個關鍵時刻，因為他們正在為電力儲存和使用方式可能發(fā)生的重大變革做準備。就像用于電動汽車（EV）的大型電池一樣，家庭應用的儲能系統(tǒng)在全球范圍內變得越來越便宜且越來越普遍。這些電池系統(tǒng)作為扁平的、沖浪板形狀的設備，通常存在于家庭車庫當中，用作存儲光伏板產(chǎn)生的電力、備用電源以及為包括電動汽車在內的其他鋰離子供電設備充電的方式。
據(jù)可再生能源研究公司 Wood Mackenzie 稱，2022 年美國家庭將新增住宅儲能容量總計 600 兆瓦，比前一年增加50%。該公司預測，到 2027 年，美國家庭電池的年安裝量將超過 2.7 吉瓦，大約是目前安裝率的 4.5 倍。這相當于未來三年每年安裝約 135,000 個新住宅 ESS 系統(tǒng)。這種激進的增長率——更不用說每年出現(xiàn)在住宅車庫中的數(shù)以百萬計的額外鋰離子動力消費產(chǎn)品——并沒有被消防部門忽視。除了 FSRI 的測試之外，已經(jīng)發(fā)生的一系列事故也引起關注。去年 4 月，科羅拉多州伊利市一輛電動 SUV 的電池發(fā)生熱失控，導致爆燃，將一戶住宅的車庫門炸到車道上 30 英尺，擊中了站在外面的一名營長（但沒有受傷）。
2019 年在蒙特利爾發(fā)生的類似事件導致車庫門飛離房屋至少 60 英尺。
在德國，住宅 ESS 發(fā)生的爆炸將房屋的屋頂掀起并震碎了窗戶。
這些事件中沒有人受傷，但并非每一次事故發(fā)生都如此幸運。迄今為止最惡劣的電池事故發(fā)生在 2019 年亞利桑那州瑟普賴斯，當時公用事業(yè)公司擁有的儲能系統(tǒng)發(fā)生熱失控，導致爆炸，導致四名消防員入院治療。其中一名消防隊長被炸到鐵絲網(wǎng)下面，然后停在距離 ESS 裝置 75 英尺的地方。
消防部門擔心，除非在培訓和更新規(guī)范性代碼要求的同時制定可靠的戰(zhàn)術指導，否則這可能只是時間問題。
國際鋰離子電池協(xié)會健康與安全運營服務總監(jiān)肖恩·德克蘭 (Sean DeCrane) 表示：“鋰離子電池問題就像壓路機一樣向我們襲來，因為采用這項技術面臨著巨大的財政和環(huán)境壓力。”消防員（IAFF）。“消防部門并沒有說，‘停下來，這不能上市！’相反，我們需要參與到幫助駕馭壓路機的過程中。因為當出現(xiàn)故障時，制造商通常不參與事故救援和處置——這是消防部門的職能所在。”克蘭說，“目前對于如何應對住宅鋰離子電池事故沒有硬性規(guī)定。”然而，在制定針對住宅 ESS 事件的戰(zhàn)術響應的具體指導之前，仍然需要回答許多重要問題。到目前為止，困擾研究人員的一個重要細節(jié)是了解熱失控的鋰離子電池何時會著火，何時會經(jīng)歷劇烈爆燃，或什么都不會發(fā)生。“電池氣體爆炸的時間和嚴重程度難以預測，而且缺乏一致性，因此很難做出絕對的判斷。”
研究人員表示，“即使多次測試同一款產(chǎn)品，有時也會出現(xiàn)不同的情況。”
當涉及鋰離子儲能系統(tǒng)故障事件時，從初步評估到事故處置，消防響應的幾乎每個環(huán)節(jié)都充滿挑戰(zhàn)。目前沒有要求在住宅上設置標志牌來通知消防救援人員內部是否有鋰離子ESS 或電動車輛（EV），這使得消防救援隊很難知道是否存在這種危險。當消防隊員確實確認住宅中存在 ESS 時，他們的應對選項非常有限。據(jù)研究人員介紹，消防員仍然沒有有效的工具來判斷電池是否處于熱失控狀態(tài)，無論它是否參與了火災，或者它構成了什么危險。
UL 的研究表明，標準熱成像設備無法區(qū)分電池是否涉及到房間及其內容物的火災中，而氣體檢測儀在區(qū)分煙霧、電池氣體或兩者的混合物方面也被證明是無效的。如果消防員確實懷疑電池在沒有主動火力的情況下發(fā)生熱失控，他們的選擇再次受到限制。水是已知最有效的去除熱量的方法，而熱量會導致熱失控傳播，但產(chǎn)品外殼幾乎普遍防止水進入。在某些情況下，水可能會導致短路和誘發(fā)二次著火。
挑戰(zhàn)是顯而易見的：FSRI 測試和科羅拉多事件都表明，在任何外部指標顯現(xiàn)之前，可能會出現(xiàn)嚴重的爆炸危險。此時最好的行動方案可能是消防員簡單地后退。
這就是為什么消防部門在涉及大型鋰離子電池的事故中最安全的做法可能是后退并保持謹慎。但德克蘭承認，看著建筑物燃燒，或者在等待條件變化時保持閑置，也不是很好的選擇。FSRI 和其他地方現(xiàn)在正在幕后進行大量工作，為消防人員提供更多關于行動策略的情報，這些策略可以在不讓消防員面臨危險的情況下有效。其中包括研究消防員如何安全排放可燃氣體以降低爆燃的可能性。但這也很棘手。正如巴洛伊所說，由于電池會產(chǎn)生“超級煙霧”，因此切開車庫門是不明智的，因為火花可能會點燃氣體并引發(fā)火災甚至爆燃。在屋頂上開通風孔的常見策略也存在問題。“我也不想讓我的消防員在爆炸性環(huán)境上方的工程輕型屋頂系統(tǒng)上，”德克蘭說。
如果發(fā)生爆炸，距離建筑物足夠近以打開門窗也可能使消防員面臨危險，但 FSRI 和 IAFF 認為這可能是一系列糟糕的潛在選擇中的最佳選擇。“也許我們已經(jīng)準備好了帶電的手線，如果有外部檢修門，我們就會通過這種方式排出氣體。但我們不一定希望我們的成員與車庫門互動，因為我們通過測試知道這是爆炸期間的弱點，”德克蘭說。研究人員計劃進行更多測試，并將這些信息帶回咨詢小組，希望該小組能夠提出可靠的建議。但這可能需要時間。“從 IAFF 的角度來看，我們有 335,000 名會員。當他們向我們尋求幫助時，他們必須知道，‘好吧，國際田聯(lián)已經(jīng)對此進行了審查。我們可以采納這些建議，并且可以安全地將它們納入其中，”德克蘭說。“所以我們非常嚴肅地對待這件事。除非我們非常有信心，否則我們不想開始推出建議。”與此同時，還需要進行教育和宣傳，以便更多消防部門了解大型鋰離子電池驅動產(chǎn)品的風險以及它們對消防員造成嚴重傷害的可能性。NFPA 開發(fā)了一系列資源來滿足這些需求，包括專為消防部門設計的在線儲能和光伏系統(tǒng)培訓課程。（有關 NFPA 對 ESS 危害的培訓資源的更多信息，請訪問 nfpa.org/ESS。）消防研究基金會也已開始開展初步工作，為解決住宅 ESS 的項目尋找資金。
研究人員認為，除了消防員的救援之外，還有很多工作要做。例如，鋰離子電池事故結束后的檢修也會帶來一系列問題和獨特的挑戰(zhàn)，因為電池在事故發(fā)生后數(shù)小時、數(shù)天甚至數(shù)周內容易二次起火。這使得必須找到并收集任何損壞的鋰離子電池中的每個元件，以防止同一事故地點二次起火。在廢墟中挖掘損壞的帶電電池部件需要特殊的設備和護理，并且損壞材料的處理需要專門的廢物管理程序。重要的問題還包括鋰離子排放的氣體對消防員的健康和環(huán)境有何危害，以及如何有效地清潔暴露的裝備。就目前所知，這項研究不太可能很快趕上 ESS 的采用率，但進展順利。
（來源：美國消防協(xié)會期刊）
轉載自：應急管理部上海消防研究所 (shfri.com.cn)
