锂离子电池在家庭环境中的广泛应用——为电动滑板车、电动汽车到储能系统的各种设备提供动力——预计在未来几年将持续增长，这迫使消防部门重新考量其对住宅火灾的应对措施。
在过去的几年里，美国消防安全研究所 (FSRI) 和 UL 解决方案研发部的工程师团队一起，针对锂离子电池——用于大型储能系统 (ESS) 进行加热测试研究。
研究数据显示，虽然故障率有限，但如果没有足够的保护措施，一旦发生故障极可能引发严重后果。因此，大型锂离子电池（用于家庭、车辆、电动自行车、电动滑板车等）的广泛使用引起了消防部门的关注。
实验视频记录显示：一个单独的电池单元，周围捆绑十几个相同的电池单元，被有意地送入所谓的热失控状态，即化学失效导致热量迅速上升，直到电池几乎发出白热的光，就像是刚从高炉中出来的铁块一样。强烈的热量迅速传播到相邻的电池单元，这些电池单元也进入热失控状态，进而触发更多的电池单元失效。通常，当电池外壳破裂时会发出巨大的爆炸声，伴随着一大团易燃的浑浊白烟。随着每个电池单元内部压力的增加，会有更多的爆炸声，每一声都会释放更多的气体。
这些气体由二氧化碳、一氧化碳、氢和碳氢气体混合而成，看起来像是从通风受限的火灾中排出的烟雾。然而，巴洛维将其描述为“超级烟雾”，因为其燃烧速度相对较高，最低点火能量较低。电池直接释放的气体具有足够的反应性，“我们认为尚未点燃的热失控就像是丙烷泄漏一样”，他说。
爆炸危险会在气体继续积聚而不点燃的情况下产生。在一项 UL 测试中，封闭的测试空间充满了浓密危险的雾气，继而发生燃爆。当燃爆发生时，产生的压力有可能会对测试空间沉重的车库门猛烈冲击，甚至使其被冲飞至数十英尺。在其他测试中，气体几乎立即着火，随着每次爆炸，火焰会不断增长，直到形成沸腾的火海。
国外制造商正在采取措施降低锂离子电池故障率，许多制造商优先考虑适当的工程设计，以降低危险的频率和严重程度——迄今为止，这些做法已经导致大型锂离子电池的失效率较低。
UL 消防安全研究所目前正在进行研究，以更好地了解大型锂离子电池系统在失效时的反应，这对消防部门来说是一个关键时刻，因为他们正在为电力储存和使用方式可能发生的重大变革做准备。就像用于电动汽车（EV）的大型电池一样，家庭应用的储能系统在全球范围内变得越来越便宜且越来越普遍。这些电池系统作为扁平的、冲浪板形状的设备，通常存在于家庭车库当中，用作存储光伏板产生的电力、备用电源以及为包括电动汽车在内的其他锂离子供电设备充电的方式。
据可再生能源研究公司 Wood Mackenzie 称，2022 年美国家庭将新增住宅储能容量总计 600 兆瓦，比前一年增加50%。该公司预测，到 2027 年，美国家庭电池的年安装量将超过 2.7 吉瓦，大约是目前安装率的 4.5 倍。这相当于未来三年每年安装约 135,000 个新住宅 ESS 系统。这种激进的增长率——更不用说每年出现在住宅车库中的数以百万计的额外锂离子动力消费产品——并没有被消防部门忽视。除了 FSRI 的测试之外，已经发生的一系列事故也引起关注。去年 4 月，科罗拉多州伊利市一辆电动 SUV 的电池发生热失控，导致爆燃，将一户住宅的车库门炸到车道上 30 英尺，击中了站在外面的一名营长（但没有受伤）。
2019 年在蒙特利尔发生的类似事件导致车库门飞离房屋至少 60 英尺。
在德国，住宅 ESS 发生的爆炸将房屋的屋顶掀起并震碎了窗户。
这些事件中没有人受伤，但并非每一次事故发生都如此幸运。迄今为止最恶劣的电池事故发生在 2019 年亚利桑那州瑟普赖斯，当时公用事业公司拥有的储能系统发生热失控，导致爆炸，导致四名消防员入院治疗。其中一名消防队长被炸到铁丝网下面，然后停在距离 ESS 装置 75 英尺的地方。
消防部门担心，除非在培训和更新规范性代码要求的同时制定可靠的战术指导，否则这可能只是时间问题。
国际锂离子电池协会健康与安全运营服务总监肖恩·德克兰 (Sean DeCrane) 表示：“锂离子电池问题就像压路机一样向我们袭来，因为采用这项技术面临着巨大的财政和环境压力。”消防员（IAFF）。“消防部门并没有说，‘停下来，这不能上市！’相反，我们需要参与到帮助驾驭压路机的过程中。因为当出现故障时，制造商通常不参与事故救援和处置——这是消防部门的职能所在。”克兰说，“目前对于如何应对住宅锂离子电池事故没有硬性规定。”然而，在制定针对住宅 ESS 事件的战术响应的具体指导之前，仍然需要回答许多重要问题。到目前为止，困扰研究人员的一个重要细节是了解热失控的锂离子电池何时会着火，何时会经历剧烈爆燃，或什么都不会发生。“电池气体爆炸的时间和严重程度难以预测，而且缺乏一致性，因此很难做出绝对的判断。”
研究人员表示，“即使多次测试同一款产品，有时也会出现不同的情况。”
当涉及锂离子储能系统故障事件时，从初步评估到事故处置，消防响应的几乎每个环节都充满挑战。目前没有要求在住宅上设置标志牌来通知消防救援人员内部是否有锂离子ESS 或电动车辆（EV），这使得消防救援队很难知道是否存在这种危险。当消防队员确实确认住宅中存在 ESS 时，他们的应对选项非常有限。据研究人员介绍，消防员仍然没有有效的工具来判断电池是否处于热失控状态，无论它是否参与了火灾，或者它构成了什么危险。
UL 的研究表明，标准热成像设备无法区分电池是否涉及到房间及其内容物的火灾中，而气体检测仪在区分烟雾、电池气体或两者的混合物方面也被证明是无效的。如果消防员确实怀疑电池在没有主动火力的情况下发生热失控，他们的选择再次受到限制。水是已知最有效的去除热量的方法，而热量会导致热失控传播，但产品外壳几乎普遍防止水进入。在某些情况下，水可能会导致短路和诱发二次着火。
挑战是显而易见的：FSRI 测试和科罗拉多事件都表明，在任何外部指标显现之前，可能会出现严重的爆炸危险。此时最好的行动方案可能是消防员简单地后退。
这就是为什么消防部门在涉及大型锂离子电池的事故中最安全的做法可能是后退并保持谨慎。但德克兰承认，看着建筑物燃烧，或者在等待条件变化时保持闲置，也不是很好的选择。FSRI 和其他地方现在正在幕后进行大量工作，为消防人员提供更多关于行动策略的情报，这些策略可以在不让消防员面临危险的情况下有效。其中包括研究消防员如何安全排放可燃气体以降低爆燃的可能性。但这也很棘手。正如巴洛伊所说，由于电池会产生“超级烟雾”，因此切开车库门是不明智的，因为火花可能会点燃气体并引发火灾甚至爆燃。在屋顶上开通风孔的常见策略也存在问题。“我也不想让我的消防员在爆炸性环境上方的工程轻型屋顶系统上，”德克兰说。
如果发生爆炸，距离建筑物足够近以打开门窗也可能使消防员面临危险，但 FSRI 和 IAFF 认为这可能是一系列糟糕的潜在选择中的最佳选择。“也许我们已经准备好了带电的手线，如果有外部检修门，我们就会通过这种方式排出气体。但我们不一定希望我们的成员与车库门互动，因为我们通过测试知道这是爆炸期间的弱点，”德克兰说。研究人员计划进行更多测试，并将这些信息带回咨询小组，希望该小组能够提出可靠的建议。但这可能需要时间。“从 IAFF 的角度来看，我们有 335,000 名会员。当他们向我们寻求帮助时，他们必须知道，‘好吧，国际田联已经对此进行了审查。我们可以采纳这些建议，并且可以安全地将它们纳入其中，”德克兰说。“所以我们非常严肃地对待这件事。除非我们非常有信心，否则我们不想开始推出建议。”与此同时，还需要进行教育和宣传，以便更多消防部门了解大型锂离子电池驱动产品的风险以及它们对消防员造成严重伤害的可能性。NFPA 开发了一系列资源来满足这些需求，包括专为消防部门设计的在线储能和光伏系统培训课程。（有关 NFPA 对 ESS 危害的培训资源的更多信息，请访问 nfpa.org/ESS。）消防研究基金会也已开始开展初步工作，为解决住宅 ESS 的项目寻找资金。
研究人员认为，除了消防员的救援之外，还有很多工作要做。例如，锂离子电池事故结束后的检修也会带来一系列问题和独特的挑战，因为电池在事故发生后数小时、数天甚至数周内容易二次起火。这使得必须找到并收集任何损坏的锂离子电池中的每个元件，以防止同一事故地点二次起火。在废墟中挖掘损坏的带电电池部件需要特殊的设备和护理，并且损坏材料的处理需要专门的废物管理程序。重要的问题还包括锂离子排放的气体对消防员的健康和环境有何危害，以及如何有效地清洁暴露的装备。就目前所知，这项研究不太可能很快赶上 ESS 的采用率，但进展顺利。
（来源：美国消防协会期刊）
转载自：应急管理部上海消防研究所 (shfri.com.cn)
