锂离子电池在数据中心的安全应用

锂电池的基本特性与安全性问题

锂电池的工作原理及主要类型

锂电池就是利用锂合金金属氧化物作为电源的主要元素，同时使用非水电解质作为电源的辅助元素，运行机制主要包括锂离子在正负极间的嵌入与脱嵌过程。在充电过程中，锂离子会从正极分离出来，然后通过电解质进入负极，使得负极保持在富含锂的状态，放电的情况是反过来的。以磷酸铁锂电池为例，其正极反应为：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌;负极反应为：放电时锂离子脱嵌，充电时锂离子嵌入。

数据中心使用的锂电池的主要类型，常见的有磷酸铁锂电池和三元锂电池。磷酸铁锂电池因其高安全性、长寿命和低成本而被广泛使用;三元锂电池则因其高能量密度及元素活泼的特性，被认为易于出现热失控问题而逐渐被避免使用。具体在数据中心的应用中，选择哪种类型的锂电池还需要考虑数据中心的实际需求，如功率需求、空间限制、成本预算、安全要求等因素。

此外，对于锂电池在数据中心的使用，还需要注意其充放电倍率。充放电倍率是指充放电电流与额定容量的比值，它影响着电池的充放电性能和使用寿命。

锂电池的优势与局限性

数据中心应用锂电池的优势主要体现在以下几个方面：

a. 能量密度高：锂电池的能量密度远高于传统的铅酸电池，这意味着在相同体积或重量下，锂电池能提供更长的后备时间或支持更高的负载功率。

b. 寿命长：锂电池的循环寿命长，即使在频繁充放电的情况下，也能保持较长的使用寿命。这有助于减少数据中心的维护成本和降低更换电池的频率。

c. 环保：锂电池不含铅、镉等有害重金属元素，对环境友好。同时，其在使用过程中不会产生酸雾等有害气体，对数据中心的环境影响较小。

d. 充电速度快：锂电池的充电速度比铅酸电池快很多，这有助于缩短数据中心的停电恢复时间，提高系统的可用性。

e. 铅酸电池的适宜充电和放电温度一般介于20 ~ 30 ℃，这个范围内的环境温度敏感性较弱。然而，一旦气候变冷，电池的蓄电效率就可能会相应减弱。尤其是在温度低于15 ℃ 的情况下，电池的容量减少更为显著，每降低1 ℃，其可用容量就会减少大约0.8 %。当温度降至零下，电池的功率可能仅为其平均水平的70%。与此相对，锂电池的储能性质对环境温度的反应较弱，它的使用环境温度范围更广，可以在0 ~ 60 ℃。这使得锂电池在更高或更低的工作温度条件下仍能保持相对稳定的性能。由于锂电池的预期使用年限以及耐热属性，它们在极端环境中依然可以维持超过铅酸电池的使用年限。

数据中心应用锂电池也存在一些局限性：

a. 成本较高：目前，锂电池的成本仍然高于传统的铅酸电池，曾经达到铅酸电池造价的3倍以上。虽然随着技术的进步和规模化生产，锂电池的成本正在逐渐降低，但在某些应用中，其成本仍然是一个重要的考虑因素。

b. 尽管锂电池在日常操作中是安全的，但如果处于过度充电、过度放电或者高温环境中，可能会出现如热失控等严重的安全风险。因此，数据中心在使用锂电池时需要采取严格的安全管理措施。

锂电池的热失控安全隐患

锂电池发生热失控主要是由于内部产热远高于散热速率，在锂离子电池的内部积聚了大量的热量，从而引起了连锁反应，导致电池起火和爆炸。

常见触发锂电池热失控的故障类型包括：

a. 电池过热：这可能是由于电池的选型和热设计不合理，或者外短路导致电池温度升高、电缆的接头松动等。

b. 过充电：过充电触发的热失控通常是由于电池管理系统本身对过充电的电路安全功能缺失，导致电池的BMS(电池管理系统)已经失控却还在充电。

c. 内短路：电池制造杂质、金属颗粒、充放电膨胀的收缩、析锂等都有可能造成内短路。这种内短路是缓慢发生的，时间非常长，而且无法确定它什么时候会出现热失控。

当发生充电速率过快、过度放电、温度变化、材料变形等情况时，锂离子电池内部会产生枝晶。枝晶是尖锐的树枝状结构，它可能刺穿隔膜，导致电池内部短路，进而引发热失控。

在锂电池的热失控过程中，可能会产生大量的易燃气体，例如氢气和一氧化碳等，这些气体在特定环境下有可能触发爆炸。

为了预防锂电池热失控，可以采取优化电池设计、改进电池管理、控制充电速率、避免过度充放电、保持适宜的环境温度等措施。这些措施有助于延长锂电池的寿命并提高使用安全性。

消防安全规范对锂电池应用的要求

为了确保锂电池的安全应用，各国已出台相应的规范和标准。例如，我国在GB 51048 - 2014《电化学储能电站设计规范》中明确规定了锂电池的选用、布置、防火和安全间距等方面的要求。规范强调了锂电池的火灾危险性，要求在设计中充分考虑锂电池的火灾预防和应对措施。具体来说，应设置有效的火灾探测系统、灭火系统和排烟系统等，以确保火灾发生时能及时发现并控制火势。此外，规范还要求对锂电池的充电和放电过程进行严格监控，防止过充和过放引发的火灾事故。

此外，行业人士在团体标准方面也作了有益的探索，包括笔者作为主要起草人的T / DZJN 80 - 2022《数据中心用锂离子电池设备产品技术标准》和T / CABEE 056 - 2023《数据中心锂离子电池室设计标准》等。

T / DZJN 80 - 2022要求电池系统应安装独立的灭火装置，能够实现自动灭火功能，应采用模块内灭火装置或机柜内灭火装置，灭火材质宜使用全氟己酮或七氟丙烷。此外，也提到电池舱式水浸没灭火装置，即电池模块布置在半封闭式的电池仓内，通过火探管在设定温度时报警，联动注水浸没电池灭火，利用水比容大的特点达到持续降温控制热失控的目的。

T / CABEE 056 - 2023在设计层面限定电池室适用于室内放置锂电池总容量大于20 kWh、小于等于600 kWh;鉴于热失控初期释放的气体特性，应配置CO或H2探测器;锂电池室宜配置水喷雾灭火系统或自动喷水灭火系统，要求消防用水应满足2.0 h持续供水能力;为防止复燃，不同水灭火系统还应存在7 ~ 10 h的持续供水能力。与铅酸电池室采用气体灭火时须遵循空间不大于3 600 m3不同，锂电池室的空间受电池总容量限制会小得多;在实际设计工作中，按要求限制好每个电池室的电池安装总容量，就能较轻松地实现持续供水要求。

数据中心UPS系统中锂电池的应用分析

铅酸电池与锂电池的特性差异

首先，铅酸电池是传统UPS系统常用的电池技术，分为密封铅酸电池和开放式铅酸电池两种类型。它们通常具有较短的使用寿命，并需要定期维护，包括检查电解液水平和可能的水分补充。相比之下，锂电池作为新一代的UPS电池技术，通常具有更长的寿命，并且不需要定期维护，因为它们是密封的，无需补充水分。

接下来，从性能角度看，锂电池的尺寸更小、质量更轻，同等体积的锂电池的容量超过铅酸电池。此外，锂电池还具有出色的高温性能，可在较宽的温度范围内工作，并且充电速度更快，可大电流充放电。这些性能优势使得锂电池在UPS系统中的应用更加灵活和高效。

再者，锂电池的生产成本通常超过铅酸电池，其价格大约是铅酸电池的3倍，而且其回收价值并不高，如果不当使用，还可能带来一些安全风险，比如电解液分解、燃烧甚至爆炸。因此，在选择UPS电池技术时，需要综合考虑这些因素。

UPS配合铅酸电池与配合锂电池在电池管理方面的差异

首先，铅酸电池由于其技术成熟且应用广泛，电池管理系统(BMS)相对简单。它主要关注电池的电压、电流和温度等基本参数，以确保电池在安全范围内运行。铅酸电池的BMS通常不需要复杂的算法和控制策略，因为其电化学特性相对稳定。

相比之下，锂电池具有更高的能量密度、更轻的重量和更长的寿命等优势，但其电化学特性也更为复杂。因此，锂电池的BMS需要更加精确和复杂的控制策略。除了基本的电压、电流和温度监控外，锂电池的BMS还需要考虑电池的荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)以及功率状态(SOP)等多个方面。此外，由于锂电池在过充、过放、高温甚至短路等情况下可能引发安全问题，其BMS还必须具备多重安全保护功能。

在充电和放电管理方面，铅酸电池通常采用较为简单的恒压或恒流充电方式，而锂电池则需要更加精确的充电控制策略，如恒流 - 恒压(CC - CV)充电方式。此外，锂电池的放电管理也需要考虑放电速率、放电深度以及放电过程中的温度变化等因素。

这就使得UPS适配锂电池的电池管理系统，需要着重考虑BMS的复杂性、控制策略及安全保护等方面的要求。

UPS备用锂电池与电化学储能的区别与联系

近年来，行业内存在一种声音，要求UPS超配电池容量，利用峰谷电价套利。这是另一种形式的电化学储能，但实际上，UPS备用锂电池与电化学储能之间还存在一些区别与联系。

区别：

a. 应用场景：UPS备用锂电池主要用于在不间断电源系统中提供备用电力，确保在市电中断或异常时能够持续为关键负载提供电力。而电化学储能则更广泛地应用于各种场景，包括电力系统、交通运输、工业制造等，用于实现能量的储存、释放与管理。

b. 电池性能：如果配储方案里面是使用同一种电芯既做备电也做储能，需要制定动态合理调整备电和储能电量分配的策略，而且为了储能对后备电芯超配会造成很高的额外占地成本、设备成本;此外储能电芯放电倍率往往只有0.5 C，而备电电芯为3 ~ 6C，备电电芯用于储能，循环寿命通常只有储能型电芯一半左右。

c. 热管理需求问题：备电电芯短时高倍率放电，储能电芯长时低倍率放电。在实际工程实践中，后备电池散热多为开放式风冷。但是储能电芯放电长达若干小时，热负荷计算差异很大。如果用数据中心配置制冷方式，对于储能散热条件来说，很可能因为配置冷量不足导致电池室过热，还可能引发热失控等风险。

联系：

a. 电池技术：UPS备用锂电池和电化学储能都采用了锂电池技术，具有相似的电池原理和化学反应。这使得它们在电池性能、寿命和安全性等方面有一定的共通性。

b. 能量储存与释放：UPS备用锂电池和电化学储能都是通过电池来完成能量的储存和释放。当需求出现时，这些设备都有能力释放其内部的能源，以应对各种电力需求。

由上述条件所知，虽然UPS备用锂电池与电化学储能系统在某些方面存在共通性，但它们的设计目标、应用场景及性能要求存在显著差异。因此，UPS备用锂电池并不完全适用于电化学储能系统。如果将UPS备用锂电池直接用于电化学储能系统，可能会导致性能下降、安全隐患等问题。因此，在设计电化学储能系统时，需要根据实际应用场景和需求进行综合考虑。

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