锂电池为何频发故障引起火灾？如何有效防治及利用？
锂电池为何频发故障引起火灾？如何有效防治及利用？
随着锂离子电池在数据中心的广泛应用，其带来的火灾风险也日益凸显。本文从多个角度深入分析了锂离子电池的安全隐患，并提出了相应的防范措施和建议。
锂离子（Li-Ion）电池因其在性能、寿命和能量密度方面的显著优势，在数据中心备份能量存储领域越来越受欢迎。与传统的铅酸电池相比，锂离子电池占用空间更小，更换频率更低。然而，这种技术的迅速采用也带来了一种新的风险——热失控引发的大火。尽管数据中心运营商评估风险是可控的，但使用锂离子电池仍可能增加成本，原因是防火措施更严格，许可和保险费更繁琐。
锂电池火灾案例
锂离子电池容易发生破坏性大且难以控制的火灾，数据中心发生过数起事故，其中一些事故导致了严重的停电，但这些事故没有得到充分的记录，也没有得到系统的研究。
2022年SK集团数据中心火灾：这场火灾从电池室开始，迅速蔓延到大楼的其他部分，导致KakaoTalk消息平台及其移动支付系统瘫痪，影响数百万用户。
2023年6MW数据中心火灾：这场火灾的细节尚未公开，但据报道造成了严重破坏。
孟加拉国达卡Khawaja塔火灾：这场火灾造成3人死亡，虽然具体原因尚未揭示，但电池是最有可能的一个因素。
风险评估与防范
虽然锂离子电池起火导致的停机或损坏非常罕见，但确实会发生，因此了解和管理这种风险对于数据中心运营商来说是必不可少的。一个常见的问题是灭火剂与火灾类型不匹配，一些常见的灭火方法，特别是安装在许多数据中心的惰性气体和缺氧系统，在抑制锂离子电池火灾方面并不完全有效。
锂离子电池制造商已经意识到这个问题，他们已经出货了带有电池管理系统和热监控的电池单元。在某些情况下，这些系统本身可能不足以解决问题，但在不可阻挡的火灾发生之前，它们可以触发其他有效措施。数据中心运营商也应该意识到，制造商对锂离子蓄电池的标准可能存在很大差异，制造缺陷是导致锂离子电芯起火的原因之一。
UPS供应商告诉Uptime Institute，他们选择电池技术是基于其内在的管理功能，旨在提供一个具有良好固有安全性的系统。除此之外，供应商表示，关键的下一步——为特定安装的锂离子系统量身定制的灭火系统——将留给客户。
消防安全标准与法规
正式的消防安全标准姗姗来迟地赶上了锂离子电池使用量的上升，因为消费者电子设备中的火灾引起了人们对这个问题的关注。2023年，纽约市消防安全研究所和消防局称该市一连串因电动滑板车引起的引人注目的家庭火灾“令人担忧”。
消防部门意识到数据中心现在装有锂离子电池。2023年，美国消防工程师协会（SFPE）警告其成员，数据中心使用锂离子蓄电池将导致更多呼叫急救人员，火灾将变得更加严重和危险。SFPE还指出，正常的设施进出限制将使急救人员的工作更加艰难。
在一些国家，特别是美国，UL 9540标准最初是为用于电网平衡的储能系统（ESS）设计的，现在被引用到数据中心使用的UPS系统上。UL 9540的基本版本规定，ESS应该由不超过50千瓦小时的单元组成。这些单元必须至少相隔3英尺（约90厘米），并且离任何相邻的房间墙壁至少3英尺（90厘米），以防止火势蔓延。
如果按照UL 9540测试方法（即UL 9540A）进行了大规模测试，则UL标准允许一些例外情况，包括较大的单元放置得更靠近。测试包括评估可燃气体释放数据，可用于设计特定的爆炸控制系统。测试结果规定了安装要求、通风指示，以及消防部门应遵循的任何特殊程序。
A.J.安全官员在当地拥有很大的自主权，人们普遍预计他们将开始实施重大的监管改革。据报道，这些官员正在发出电报，将对锂离子电池的使用进行更严格的监管。这个问题被比作加油站的问题，建议类似的限制适用于锂离子蓄电池安装。
最佳实践
数据中心的建设者和运营者应该仔细考虑锂离子电池的好处和风险，除了发生严重火灾的明显风险外，准备、避免和应对这类事件方面还存在财务和声誉风险。锂离子电池的财务分析应该考虑到这些措施的成本，以及未来可能需要进行变革的可能性。还应评估各种备选办法。
可选电池类型
在锂离子家族中，根据阴极使用的金属有不同的变体:磷酸铁锂（LFP）和锂镍锰钴氧化物（NMC）是静态存储应用（如UPS电池室）中最流行的化学物质，其中NMC的密度更高，而LFP的成本更低。
数据中心运营商将需要自行评估合适的电池类型及其内置的热管理功能。作为锂离子电池的替代品，一些制造商已经探索了新的化学方法，包括镍锌和钠。这些技术没有得到充分的验证和生产，没有规模经济，成本可能会更高。此外，他们目前没有主流锂离子蓄电池的成熟供应链，因此未来的升级和支持可能会受到质疑。
继续使用铅酸蓄电池的选择也不容忽视，这方面的技术发展还在继续，较新的类型，如薄板纯铅蓄电池，比其他铅酸蓄蓄电池具有更长的寿命和更快的充电时间。更新的铅酸蓄电池类型随着其性能的提高价格更高，因此需要类似于锂离子电池的总拥有成本分析。铅酸蓄电池可以说是“更环保”的，因为它们可以很容易地回收利用，而且不使用其他地方所需要的稀缺矿物。
火灾预防与扑救
锂离子电池组装有电池管理系统和热监测系统，旨在在不可阻挡的火灾发生前触发有效措施。这些规定与灭火工具相辅相成。数据中心运营人员需要评估其锂离子电池的热管理功能，并自行评估使用哪种灭火设备，这与UPS供应商的任何建议无关。
电池室应安装能有效对锂离子电池起作用的火灾管理方法，包括专门的灭火剂，如 Novec 1230和FM-200，或干化学品，如碳酸氢钾。也可以使用水雾系统:它们产生非常细小的液滴，冷却燃烧中的电池，而不会产生热冲击或反应。
另一种专门用于解决锂离子火灾的技术是将蛭石水悬浮液喷洒到电池上。在这种方法中，水蒸发，冷却电池，并形成一层热和电绝缘层。请注意，围绕不同抑制技术的相对有效性存在着相当大的争议——这些将在即将发表的报告中讨论。
安装和培训
数据中心的操作人员应该意识到，即使是为锂离子电池设计的灭火系统也未必百分之百有效。此外，设施可能遇到不可避免的电池故障和热失控的情况，其中包括短路和高温（后者在某些地区比其他地区更有可能发生）。
前面提到的 6MW 数据中心就是一个很好的例子，它经历了一次毁灭性的锂离子电池火灾，尽管它有基于Nov ac的灭火系统，设计用于与锂离子蓄电池一起工作。因此，锂离子电池应与工作人员和空置设备隔离，如有可能，应将其放置在单独的建筑物中，或至少置于带有防火系统以防止火势蔓延的耐火外壳中。
如果在现有建筑物安装锂离子电池，这些结构措施仍然是必要的。员工应接受如何应对锂离子电池起火的培训，包括疏散和使用专业设备。他们还应准备好与应急人员进行良好沟通，以确保他们知道锂离子起火正在进行，并采取适当行动。
法规和保险
数据中心运营商应该调查所在区域的消防法规，以及最近报道的锂离子事故导致的任何变化。评估代价高昂的变化的可能性很重要，但可能很困难。最后，也是至关重要的一点是，运营商需要与保险公司进行沟通。锂离子电池给数据中心带来了新的风险。运营商有责任与保险公司讨论这些问题。如果运营商不这样做，他们的保险可能会失效。至少有一家运营商报告说，部分是根据其保险公司的建议，决定拒绝采用锂离子电池。