一、概述
　　
　　锂电池是一种常见的可充电电池，具有高能量密度、长寿命和低自放电率等优点，广泛应用于各种电子设备中，如手机、笔记本电脑、平板电脑、数据中心和电动汽车等。但锂电池在使用过程中也存在一定的安全风险，因此正确使用和维护至关重要。
　　
　　1.锂电池的基本特性
　　
　　1）高能量密度：锂电池能够存储更多的能量，使设备在相同体积或重量下具有更长的续航时间。由于其高能量密度，在相同的容量下其体积和重量比铅酸电池小得多。
　　
　　2）长寿命：正常使用情况下，锂电池的充放电循环次数可达数百次甚至上千次，而铅酸电池一般不超过五百次。
　　
　　3）低自放电率：锂电池在储存过程中的自放电率较低，能够长时间保持电量，而铅酸电池由于结构和材料原理在储存过程中能量历史严重。
　　
　　2.锂电池的工作原理
　　
　　锂电池一般由正极、负极、电解液和隔膜等部分组成。其工作原理是通过锂离子在正负极之间的嵌入和脱嵌来实现充放电过程。充电时，锂离子从正极脱嵌，经过电解液穿过隔膜嵌入负极；放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，经过电解液穿过隔膜嵌入正极，同时在外部电路中产生电流。
　　
　　3.锂电池的正确使用方法
　　
　　1）使用原装充电器：务必使用与设备配套的原装充电器，避免使用来路不明或质量不佳的充电器，以确保充电安全和电池寿命。
　　
　　2）避免过度充电：大多数设备都内置了充电保护电路，当电池充满电后会自动停止充电。为了保险起见，电池充满后应及时拔掉充电器，避免长时间过度充电。
　　
　　3）合适的充电温度：锂电池的充电温度范围为0～45℃，放电温度范围为0～60℃。
　　
　　4）定期充电：长期保存的锂电池应每3～6个月补电一次，磷酸铁锂电池一般充电到电压为3.8～3.9V，保持在40%-60%放电深度为宜。
　　
　　4.锂电池的安全问题及预防措施
　　
　　尽管锂电池具有许多优点，但其安全性仍是一个重要问题。锂电池在使用过程中可能存在爆炸和起火风险，尽管现代电池技术已经显著提高了安全性，但仍需注意避免高温环境和防止过充和过放。锂电池应远离热源和阳光直射的地方，保存温度应在4℃～35℃之间。使用原装充电器和内置的充电保护电路可以减少过充的风险，但用户仍需注意及时拔掉充电器。
　　
　　锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。充电正极上发生的反应为：
　　
　　LiCoO2=Li(1−x)CoO2+xLi++xe−
　　
　　充电负极上发生的反应为：
　　
　　6C+xLi++xe−=LixC6
　　
　　充电电池总反应：
　　
　　LiCoO2+6C=Li(1−x)CoO2+LixC6
　　
　　在使用锂电池前应了解相关的安全使用知识，并严格按照要求进行操作。特别是对于电动车、电动汽车和数据中心等大容量的锂电池，更应重视安全使用和保养。总之，锂电池虽然具有诸多优点，但在使用和保养过程中也需注意安全和规范操作。只有正确使用和保养锂电池，才能充分发挥其优势，延长其使用寿命。一旦使用不当，就会导致电池热失控起火。如图1(a)所示的电站期货和图1(b)所示的数据中心电池起火，都造成了严重损失。
　　
　　问题是锂电池一旦热失控，采用泼水、干粉灭火器和沙土覆盖等方法，都无法将火熄灭。
　　
　　在数据中心使用时，考虑就应该多一些，因为除电池本身起火之外，与电池配套的断路器开关不合理也会导致起火故障。如图2(a)所示的某机关供配电情况可以刊出此机房配电是2n结构，UPS采用了模块结构，每个模块容量为20kVA，电路采用了三电平逆变器，如图2(b)所示，每个200kVA机柜十个模块，每边两个机柜共用一组电池，电池断路器开关容量为500A。突然一天夜里一个位于机柜底部的20kVA模块由于某种原因逆变器一功率管出现短路导致此模块起火，火苗从底部烧起，当值班员发现时大伙已无法扑救，一直将整个200kVA机柜烧毁。如果在20kVA模块设置相应容量的断路器开关或熔断丝就可避免此事故发生。
　　
　　二、锂电池的构成和热失控起火的危害
　　
　　1.锂电池热失控起火的危害
　　
　　锂电池燃烧时除了烧毁设备外还会产生一氧化碳、二氧化碳、氟化氢、氰化氢等多种气体。其中，一氧化碳是一种无色无味的剧毒气体，它会与人体血液中的血红蛋白结合，阻止氧气的输送，导致人体组织缺氧。当空气中一氧化碳浓度达到一定程度时，人会出现头痛、头晕、恶心、呕吐等症状，严重时会中毒死亡。
　　
　　另外锂电池燃烧确实会产生有毒物质。锂电池在燃烧或热失控时，其正极材料、负极材料以及电解质等材料会发生化学反应，释放出多种有毒气体。这些气体包括但不限于一氧化碳、含锂氧化物、氟化氢、氰化氢、氢氟酸以及锌、锡等有毒化合物。当然，一氧化碳是一种无色无味的剧毒气体，它会与人体血液中的血红蛋白结合，阻止氧气的输送，导致人体组织缺氧，严重时甚至致人死亡。氟化氢和氢氟酸则具有强烈的腐蚀性，会对呼吸道、皮肤和眼睛造成严重损伤。此外，锂电池燃烧时的火焰温度极高，有实验表明，锂电池一旦失火，就会迅速燃烧，3min温度就迅速可达1,000℃。这种高温不仅会直接烧伤人体，还会加速火势蔓延，引燃周边可燃物，造成更大的火灾危害。因此，在处理锂电池火灾时，必须采取专业的灭火措施，并佩戴适当的防护装备，以防止有毒气体和高温火焰对人体造成伤害。同时，也应注意不要将锂电池带入密闭或易燃易爆的环境中，以降低火灾和中毒的风险。
　　
　　锂电池的热失控起火大都是因为短路引起，短路是锂电池起火的重要原因，它分为外部短路和内部短路两种情况。外部短路通常是由于电池泡水或正负极被导体直接连通所致，导致能量瞬间释放并引发火灾。而内部短路则多因电池遭受挤压、戳刺等外力作用，造成内部变形和隔离片损坏，进而引发火灾。
　　
　　当锂电池发生短路时，电流会瞬间急剧增大，导致电池温度迅速升高。随着内部电解液的受热气化，其体积不断膨胀，最终引发电池爆炸。值得注意的是，内部电解液通常包含锂盐和有机溶剂，这些成分均为可燃物，一旦与空气中的氧气接触，便会立即燃烧，从而造成锂电池的爆炸和喷火现象。
　　
　　2.锂电池的基本结构
　　
　　锂电池组由多个电芯构和保护板构成，电芯又由正极材料、负极材料、电解液、隔膜和外壳组成，如图3(a)所示。这里介绍的是一种正极材料采用锂锰氧化物、锂钴氧化物、锂镍氧化物或锂铁磷酸盐等，负极则常用石墨、钛酸锂、锂硅或锗锂等材料。电解液是一种非水盐的有机溶剂，如碳酸盐，隔膜是一种高分子薄膜，允许锂离子通过但阻止电子通过。
　　
　　保护板：主要由保护芯片(或管理芯片)、MOS管、电阻、电容和PCB板等构成。
　　
　　锂电池起火的主要原因包括以下几种：
　　
　　1）内部短路：由于隔膜破损、枝晶刺穿、机械挤压等原因导致正负极接触，局部电流暴增产生高温。
　　
　　2）过充/过放：过充电时正极过度脱锂，结构崩塌释放氧气；过放导致铜集流体溶解，均会引发副反应放热。
　　
　　3）电解液易燃性：传统液态电解液的闪点较低，泄漏后遇空气即形成可燃蒸汽。
　　
　　4）热管理失效：电池组内单体温差过大，局部过热区域率先进入热失控，引发“多米诺效应”。
　　
　　5）机械损伤：穿刺或挤压导致内部结构破坏，瞬间释放的能量相当于3倍电池储能的焦耳热。
　　
　　6）制造缺陷：微米级金属粉尘残留可能潜伏数年才引发短路。
　　
　　7）高温环境：温度超过100℃时，电解质界面膜分解失效，暴露的负极与电解液发生放热反应。
　　
　　8）低温充电：0℃以下充电会导致锂镀层形成，引发内部短路。
　　
　　9）外部短路：外部导体直接连接正负极，瞬间产生大量焦耳热。
　　
　　10）老化与性能衰退：循环使用后SEI膜增厚、析锂累积、电解液消耗等问题导致电池性能下降，容易引发过热。
　　
　　三、一般的灭火类型
　　
　　由于锂电池起火不像铅酸电池那样有一个过程，比如一般先表现高温，然后冒烟，然后才是出现火苗，这个过程如果发现的早就可在一定程度上减少损失。但锂电池的起火是雪崩式的，使人来不及反应。但也不能袖手旁观，经过一段时间的摸索，也出现了市场上常见的储能集装箱消防系统，大致可以分为三种类型：
　　
　　1）采用全淹没式设计思路，通过气体灭火系统来实现火灾的扑灭；
　　
　　2）则是结合了气体灭火系统和喷淋系统，考虑到锂电池在明火被快速熄灭后还需要水进行冷却；
　　
　　3）是针对每个电池包设计的PACK级灭火方案。
　　
　　以下是对这三种储能集装箱消防系统的详细介绍，希望能够为读者提供一定的帮助。
　　
　　1.全淹没灭火系统
　　
　　这一系统主要由灭火装置、探测系统以及灭火剂输送管路组成。在灭火装置的选择上，七氟丙烷灭火系统因其在密闭环境下对锂电池火灾的快速响应能力而受到青睐，实验证明其能有效防止复燃。此外，超细干粉和二氧化碳也是常见的选择，前者能快速灭火且不复燃，而后者虽然能迅速灭火但存在复燃的风险。全氟己酮作为一种新兴选择，尽管其在密闭环境下不会引发复燃，但由于认证尚未完全开放，其在全淹没灭火系统中的使用还不太普遍。相比之下，簇级灭火系统中使用全氟己酮的情况更为常见。
　　
　　一般常用的干粉灭火器，其灭火机理主要包括窒息、降温和化学抑制。然而，对于锂电池着火的情况，这些机理的效果则显得有限。窒息作用，即通过形成保护膜隔绝氧气来阻断燃烧，在实际操作中可能并不适用，因为锂电池着火是由于内部电解液温度升高、体积膨胀所致，窒息反而可能加剧化学反应，产生更多热量。降温作用，即通过干粉分解产生的二氧化碳和水来降低温度，但这种降温效果在实际操作中并不明显。至于化学抑制，它主要通过阻断持续燃烧的链式反应自由基来发挥作用，但对于电池起火这种特定情况，其效果并不理想。
　　
　　干粉灭火器在扑灭电池初期明火方面可能有一定效果，但一旦电池开始爆炸，其作用则显得有限。在应对电池火灾时，我们应主要关注两个方面：一是清除周围的可燃物，以防止火势进一步蔓延；二是通过大量水冷却来给燃烧的电池降温。当然在数据中心用沙埋和淋水是绝对不可用的。
　　
　　对于数据中心使用的锂电池，用户需格外小心。应保护电池免受磕碰和挤压，以防内部变形短路。同时，使用与电池匹配的充电器，并定时充电，充至90%即可，这样能有效延长电池寿命。但最好的方法是间歇充电，如图5所示，当电池充到Umax时，充电停止，让电池自由放电，当电压U降低到Umin时就恢复充电，因为电池不论是在充电还是在放电过程中都会发热升温，而高温又是产生枝晶的温床，这种充电方式就避免了这种危险，原因是锂电池在存放过程中漏电流微乎其微，在t0期间一直处于冷状态，再加之机房的制冷条件优越，这就避免了产生枝晶造成短路的可能性。
　　
　　通过以上方案介绍，不难发现，在选择适合的储能集装箱消防系统时，不仅要考虑其灭火效率和防复燃能力，还要考虑环境因素和安全补充充电等多方面的因素。
　　
　　谈到监测系统，针对锂电池储能集装箱的特点，如图4所示，人们也会采用多种探测技术进行全方位监控。包括温度探测器、烟雾探测器以及可燃气体、一氧化碳和氢气探测器等。这些设备能够及时感知火情的发生并启动预设的灭火程序，极大地提升了安全系数。
　　
　　在灭火剂的传输方式方面，对于储能集装箱消防系统而言，管网式七氟丙烷成为了优选方案。如图6所示，通过专门设计的管道，将电气区与储能区明确分开，采用不同的灭火装置以确保安全。电气区采用的是悬挂式灭火装置，而储能区则依赖于管网式七氟丙烷系统。通过精心布局的喷头，可以保证灭火剂在整个防护区域内均匀分布。然而，也有些设计中存在安全隐患，例如电气区和储能区共用一套管网七氟丙烷系统。考虑到七氟丙烷在一定浓度下可能产生毒性反应，这种设计在快速泄露和喷放时很容易达到危险浓度。
　　
　　系统主机面板上通常设有延时功能，默认情况下，从探测到火警信号到自动喷水的启动时间被设置为30s。这一时间可以根据实际需要进行调整。延时设置的主要目的是给人员撤离留出足够的时间，同时也防止因误报而造成不必要的损失。在某些特定场合，比如储能集装箱等空间较小且火灾蔓延速度较快的环境中，建议将延时时间缩短至10s甚至更短，以便快速响应。
　　
　　2.喷淋灭火系统
　　
　　有不少数据中心都设置了自动灭火程序，一般说自动灭火系统具备三种启动方式：
　　
　　自动启动：当系统处于自动模式时，一旦探测器检测到的火情达到预设值，系统便按照预设算法进行自动灭火。在这种模式下，系统通常会设定一个延时，以确保人员安全。例如，在储能场所，由于火灾发展迅速，延时可以被设置得更短，如10s，以便快速控制火势。
　　
　　电气手动启动：此方式通过紧急启动按钮实现。按下按钮后，系统同样会有一个延时过程，确保人员有时间撤离。到达设定的延时后，系统即开始喷射灭火剂。
　　
　　机械应急启动作为一种备用方案，其操作方式和注意事项需要被广泛认识。具体来说，当需要手动启动灭火装置时，操作人员需拔掉电磁阀上的安全销，并按下电磁阀手柄。这一动作将击穿灭火装置膜片，启动灭火过程。然而，这种启动方式并不推荐在储能集装箱等场景下使用，主要原因在于其可能带来的安全隐患。
　　
　　除了启动方式的选择，储能集装箱消防系统的施工也是一项细致工作。施工时需注意诸多细节，如泄压口的密封措施、紧急启停按钮的密封处理以及声光报警器和放气灯的防雨措施等，这些都是为了减少电气短路的风险。
　　
　　3.气体灭火系统和喷淋系统
　　
　　当初期火灾发生时，气体灭火系统能够迅速响应，有效地控制火势，为后续的处理工作赢得了宝贵时间，而在火势较大，启动喷淋系统往往可以完全扑灭火情。但喷淋介质是否可以最大限度地灭掉锂电池火苗尚无确定的报导，当然喷淋系统是否可以能延长处理时间，降低损失尚未可知。图7示出了一种介质的喷淋系统。

　　在储能集装箱消防系统的设计中，综合考虑各种因素并采用科学合理的方法，是保证其安全运行的根本。通过精心设计的消防系统，我们不仅能在火灾发生时及时响应，还能最大限度地减少损失，保障人员和财产的安全。
　　
　　4.储能集装箱PACK级灭火
　　
　　储能集装箱PACK级灭火技术，通过先进的复合探测器和管路电磁阀系统，实现对每个电池包的精准监测与点对点喷放灭火剂，从而在电气火灾的萌芽阶段便有效地进行抑制和扑灭。虽然PACK级灭火方案的成本相对较高，但在高风险的储能应用场景中，采用这种针对性强的灭火设计显得尤为重要。
　　
　　随着新型电储能技术在我国的快速发展，我们已经从研发示范阶段过渡到商业化初期。“十四五”时期是电储能行业规模化发展的关键期，确保安全成为支撑产业健康持续发展的重中之重。因此，建设储能电站时必须将安全置于首位，如图8所示就是一种储能集装箱PACK级灭火系统方案，这将安全成本视为不可或缺的一部分。只有确保了安全，才能促进储能行业的蓬勃发展。
　　
　　储能集装箱的消防安全不能依赖单一解决方案，而切还需要从前期的设计规划，到施工安装，再到后期的运维管理，形成一个完善、系统的消防解决方案体系。针对不同类型和风险的储能事故隐患，设计出相应的灭火解决方案和应急预案，是确保储能电站全生命周期稳定运行的关键。
　　
　　5.单个电池芯的保护
　　
　　为了实现对锂电池实现更精确的保护有的数据中心还采用了对单个锂电池芯进行监控和保护，图9就示出了实现这种功能的两种方案。图9(a)电路所示是采用了8203A组件和IGBT来实现对单个电池芯保护功能的电路，当8203A测量到对应的电池芯异常时就迅速通过IGBT(DFET)及时切断电源；图9(b)所示是利用CONTROL组件和C-MOS管及熔断丝来实现保护的方案，当CONTROL组件测量到对应的电池芯异常时就迅速通过C-MOS管及时切断电源，一旦C-MOS管因故无法关闭时就由熔断丝FUSE作为第二级保护来切断电池的供电通路。
　　
　　从电路本身可以看出它的不足之处：
　　
　　1）使电池系统复杂化：对于原设计电池电压为12V×32=384V的情况，比如磷酸铁锂电池就得100只串联，测量电路也得100套，无疑是系统复杂化，成本增加不说也影响了可靠性；
　　
　　2）在这里当发现电池异常时，只切断了电池的供电通路，但对电池内部由于枝晶导致的短路毫无建树，电池照样起火。
　　
　　时至今日对于锂电池的起火尚无一个100%有效的解决方案，以前的办法在一定条件下只解决了一部分问题，所以对于锂电池的灭火还是一个任重而道远的难题。
　　
　　作者简介
　　
　　梁越，市场总监。深耕数据中心行业近10年，聚焦基础设施产品选型、机房建设落地及租赁服务全链条实践，对用户业主在机房安全、运维效率等核心需求有深入洞察。长期跟踪行业技术迭代趋势，尤其关注新能源应用(如锂电池)在数据中心场景的适配性与风险防控。本文基于数据中心安全运营的一线经验，从场景需求视角探索锂电池消防系统的落地逻辑，期待与行业同仁交流探讨。
　　
　　编辑：Harris