lithium battery fire

【為什麼我們要挑選這篇文章】電動車市場快速發展,Gogoro、特斯拉、換電站已成為日常風景;此外,為了因應綠能需求,儲能設備也開始廣泛布建。然而不管是電動車輛還是儲能設備,這些裝置都含有大量鋰電池,但是鋰電池有熱失控火災的風險,台灣近期也發生過特斯拉火災、Gogoro 換電站火災等意外。我們的電動車輛安全嗎?

下文,儲能研發工程師來探討鋰電池儲能系統的火災問題,解析火災發生的原因,以及電動車廠、儲能設備廠採取的防災措施,讓我們更認識身邊的電動車輛與儲能設備,安心與它們共處。(責任編輯:郭家宏)

疫情再度爆發前,家裡人一起慶祝我兒子三歲生日,我發現自己開始擔心兒子是否能平安健康地長大成人,他會不會走在路上被車子撞,去餐廳吃火鍋遇上氣爆,去賣場感染到新冠病毒,我有好多好多的擔心。

生命如此脆弱,生活中隱藏的風險卻無處不在。因此,當你在媒體上看到電池爆炸的新聞,很本能地你一定馬上會覺得手機、電動車、儲能系統很危險:

「三星手機 Note 7 鋰電池爆炸!全球回收並停止生產」

「特斯拉 Model 3 驚傳起火爆炸!電池究竟出了什麼問題?」

「全台首例充電站爆炸!Gogoro 回應了」

「韓國兩年超過三十起儲能系統鋰電池火災」

「突發!北京儲能系統火災,兩名消防員殉職」

你想,一支手機放一顆鋰電池就可能爆炸,一個密閉空間放超過上百顆甚至上萬顆的鋰電池芯,然後讓它在馬路上走來走去,或是裝在貨櫃裡放在大太陽下曝曬,簡直就是在自己身邊放一個未爆彈,也太不安全了吧!

奇怪的是,負面新聞這麼多,同一時間鋰電池產業卻依然快速蓬勃發展,鋰電池生產供不應求,是因為大家頭都已經洗下去了,還是商人反正只管賺錢,視人命如草芥?

當然不是!一個官司就可能讓車廠傾家蕩產,車廠要對其設計負責,因此他們其實比你還緊張。因為鋰電池技術的變革,手機、電動車、儲能系統大量使用鋰電池,已成為時代的必然。既然無法避免,OK,那我們來看如何讓它成為可控制的風險。

我是儲能研發工程師,因此我們先討論鋰電池儲能系統的火災問題。我將用名偵探柯南的放大鏡,整理出造成儲能火災的「五大嫌疑犯」及「頭號要犯」,讓你更系統性地理解電池火災,更棒的是,以後不管是哪種鋰電池爆炸燃燒,你都可以知道其背後的原因,甚至遇到時也知道應該如何處理。

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火災嫌疑犯 1:電池老化與熱失控

鋰電池是一種以鋰離子為媒介來儲存能量的化學電池,鋰離子就像游泳選手一樣,不斷在正、負極間來回游動,當鋰離子游到負極,就是充電;當鋰離子游到正極,就是放電。而讓鋰離子游動的游泳池的水,就是電解液。實務上,為了避免正、負極直接接觸導致短路而燒起來,中間會插入一層高分子做成的隔離膜用以分隔正、負極。

雖然有這層隔離膜,但電池在充放電過程中,可能因為各種管理問題造成過度充電、過度放電、溫度過高等狀況,這時電池就可能因為鋰金屬沉積、刺穿隔離膜造成內部短路風險,此風險輕微是造成電池加速老化,嚴重則有可能使電池熱失控,當熱失控溫度無法控制,就會燃燒起來造成火災。

你可能聽說過當電池火災時,無法用任何東西滅火,只能在旁邊默默等它燒完,為什麼?這是因為電解液是一種有機溶劑,多多少少伴隨著有機氣體,這些氣體都是可燃的,而空氣中也都是甲皖、氫氣、一氧化碳、二氧化碳等可燃氣體,因此當電池燃燒起來造成火災,消防人員一打開電池櫃,正好替這些有機氣體從空氣中補給滿滿的原料,就有可能會噴出可燃高溫氣體及火焰,進而影響周圍電池溫度,造成連鎖爆炸現象,消防人員這時進去等於是送命了!

如果電池芯製程有瑕疵,這個問題會更被放大,因此,有機氣體、可燃氣體的偵測在近年漸漸成為標配,早期偵測並預警,避免後期熱失控產生有毒氣體與可燃氣體成分,導致滅火的困難度提高。

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火災嫌疑犯 2:電池管理系統沒預警​

聽完你可能會覺得電池芯很可怕,但其實很少火災是因為電池芯的單一問題,儲能系統是一個複雜系統,造成火災自然也有天不時、地不利、人不和的複雜原因。

因為可能的起火點太多,儲能系統採用分層架構式管理機制,試圖讓它成為可控制的風險,我們之前文章曾經給儲能系統開箱,要理解電池火災的原因,我們必須再次請出這張圖:

儲能系統。資料來源:盛齊綠能

模組廠在製作模組時,會建立第一層小型電池管理系統(Battery Management Unit,BMU),它必須一直蒐集電池模組的電壓、電流、容量、溫度等資訊,來評估電池現在的健康程度,並將消防防護機制也設計在內,以防止電池芯之間的延燒。第二層就是電池管理系統 BMS,判斷現有電池容量還可以使用多長時間,若使用過量會影響其他電池模組正常運作,這時 BMS 會啟動保護機制,停止供電或充電,來保護整個電池機櫃的安全。

到這裡你已經看出這是很被動的做法,有些電池火災事故報告中發現,起火原因是 BMS 出狀況,事故發生前的初期徵兆常常無法被偵測到,等到 BMS 說有問題才處理已經太晚了。

現在的趨勢是化被動為主動,透過演算機制,分析充放電的容量斜率變化,以達到預判電池老化及危險程度,並做出適當的保護機制,來維持電池壽命及安全。

另外,中國大陸與韓國皆有多起儲能系統在充飽電等待中發生事故,因此,縮小電池電量使用範圍,例如充電不超過 90% 與放電不低於 10%,在電量中間區段充放電,內阻值較小、發熱量較低,也可以控制風險。

休息一下,喝口水,下一篇,我們繼續來偵查其他三位儲能火災的「嫌疑犯」,以及公布另一位「頭號要犯」!

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(本文經合作夥伴 綠學院 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為〈513大停電後忙炒股?專家叮嚀投資儲能前應詳閱電池爆炸說明書〉。首圖來源:Pxfuel