細(xì)水霧抑制鋰離子電池?zé)崾Э匮芯窟M(jìn)展

衛(wèi)晨晨 袁樹(shù)杰

（安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院）

0 引言

鋰離子電池由于擁有高效的能源儲(chǔ)備和循環(huán)性能，近些年來(lái)得到了大力發(fā)展，在便攜式設(shè)備如手機(jī)、平板、智能手表上大規(guī)模使用，且隨著新能源汽車(chē)的大力發(fā)展，鋰離子電池發(fā)揮了巨大的作用。此外，鋰離子電池相較于其他電池體系還擁有高能量比、低記憶性、高輸出電壓以及較好的安全性等優(yōu)勢(shì)，占據(jù)了電池行業(yè)大部分的市場(chǎng)。然而，鋰離子電池在受到擠壓、針刺、過(guò)充及過(guò)熱的情況下易發(fā)生熱失控，易造成電池安全閥破裂，同時(shí)釋放出易燃易爆且有毒有害氣體，如一氧化碳、氟化氫、甲烷和氫氣等，從而發(fā)生火災(zāi)甚至爆炸，對(duì)人的生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。目前缺乏合適的針對(duì)鋰離子電池火災(zāi)的滅火系統(tǒng)，發(fā)生火災(zāi)通常使用水進(jìn)行冷卻滅火，該方法效率低下且浪費(fèi)水資源，在火勢(shì)撲滅之后又易發(fā)生鋰離子電池復(fù)燃，因此尋找一種合適的滅火劑對(duì)鋰離子電池滅火十分重要。本文總結(jié)了細(xì)水霧技術(shù)在抑制鋰電池?zé)崾Э胤矫娴膽?yīng)用研究，并指出現(xiàn)存研究的不足之處。

1 鋰電池?zé)崾Э丶捌淙紵匦?/h2>

有許多種情況可以導(dǎo)致鋰電池進(jìn)入熱失控。機(jī)械濫用造成鋰電池內(nèi)芯部分?jǐn)嗔讯l(fā)生短路，電濫用以及熱濫用使鋰離子電池溫度升高，若內(nèi)部產(chǎn)生的熱量大于散失的熱量，造成熱量積累，最終溫度達(dá)到熱失控臨界溫度，鋰電池發(fā)生熱失控并釋放大量熱和易燃易爆氣體導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常采用測(cè)量鋰電池的表面溫度和電池電壓來(lái)預(yù)測(cè)鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)生及其發(fā)展階段。通過(guò)表面溫度可測(cè)量得到鋰電池的初始失控溫度、最高失控溫度、升溫速率等參數(shù)，電壓在鋰電池?zé)崾Э氐牟煌A段呈現(xiàn)出不同的值；此外還可通過(guò)測(cè)量鋰電池質(zhì)量損失、燃燒時(shí)火焰狀態(tài)、燃燒室內(nèi)壓力等參數(shù)判斷熱失控嚴(yán)重程度。Wang[1]等使用NBT電池測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量了四種不同正極鋰離子電池?zé)崾Э爻跏紲囟群妥罡邷囟?，發(fā)現(xiàn)其隨著荷電狀態(tài)（SOC）的變化而變化，正極材料為鎳鈷錳酸鋰的鋰電池最高溫度可達(dá)695℃，足以點(diǎn)燃周?chē)扇嘉?。在以多?jié)鋰電池為單位包裝的電池組中，若其中某節(jié)鋰電池發(fā)生熱失控可以導(dǎo)致周?chē)囯姵剡M(jìn)入熱失控，稱(chēng)為熱失控傳播。電池組進(jìn)行熱傳播時(shí)，熱量主要通過(guò)熱傳導(dǎo)、熱輻射的方式進(jìn)行；Fang等[2]分析了不同電池間距對(duì)不同SOC熱失控傳播的影響，揭示了傳播路徑和所需最小能量。除了改變鋰電池外部環(huán)境進(jìn)而抑制鋰電池?zé)崾Э氐姆椒?，還為鋰電池開(kāi)發(fā)了熱管理方法，如空氣冷卻、液體冷卻、相變材料（PCM）冷卻等方法進(jìn)行鋰電池模塊降溫以及提高溫度均勻性，然而這些方法均有其弊端。因此鋰電池在發(fā)生短路溫度上升時(shí)，這些方法難以有效地將溫度降至熱失控臨界溫度以下，從而發(fā)生因鋰電池?zé)崾Э卦斐傻幕馂?zāi)，且鋰電池火災(zāi)具有滅火難度大、熱值高的特點(diǎn)，目前缺少有效針對(duì)鋰電池火災(zāi)的滅火劑。

2 細(xì)水霧抑制鋰電池火災(zāi)

2.1 純水細(xì)水霧抑制鋰電池火災(zāi)

水基滅火劑可分為純水、細(xì)水霧、泡沫等。其中細(xì)水霧是指在工作壓力范圍內(nèi)99%的液滴直徑小于1000微米的水霧，與常規(guī)的噴水和注水相比，細(xì)水霧具有節(jié)能、無(wú)毒、效率高等優(yōu)點(diǎn)，其通過(guò)冷卻潤(rùn)濕電池表面、降低熱輻射對(duì)火焰的動(dòng)能影響，結(jié)合稀釋氧氣的方式撲滅火災(zāi)，其中冷卻和稀釋氧氣起主導(dǎo)作用。根據(jù)Zhang等[3]的實(shí)驗(yàn)，足量的細(xì)水霧，可有效降低鋰電池溫度防止熱失控傳播，水壓增加可提高細(xì)水霧瞬時(shí)冷卻能力，但若細(xì)水霧使用量有限熱失控仍會(huì)發(fā)生傳播；Liu等[4]研究表明細(xì)水霧具有良好的冷卻性能，可以防止和抑制熱失控傳播，但必須滿足電池內(nèi)部加熱功率低于細(xì)水霧冷卻功率以及電池表面溫度必須得到良好的控制這兩個(gè)條件。通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在低于熱失控臨界溫度20℃時(shí)釋放細(xì)水霧滅火劑，可以較好地控制熱失控，但隨著SOC的增加抑制難度增大；Xu等[5]對(duì)比研究了CO2、HFC-227ea和細(xì)水霧對(duì)鋰電池火災(zāi)的滅火效果以及不同初始溫度下細(xì)水霧對(duì)鋰電池?zé)崾Э氐挠绊?，結(jié)果表明細(xì)水霧在這三種滅火劑中效果最佳。

2.2 含添加劑細(xì)水霧抑制鋰電池火災(zāi)

為了進(jìn)一步提高細(xì)水霧的滅火性能，在水中添加各類(lèi)不同種類(lèi)和濃度的添加劑成為首選。添加劑通過(guò)物理和化學(xué)性能兩方面改變細(xì)水霧滅火性能，其中物理性能方面包括增加細(xì)水霧吸熱能力、提高沸點(diǎn)以及改變表面張力以增加滲透能力，然而添加劑對(duì)細(xì)水霧的顯著提升主要依賴于改變其化學(xué)性能；添加劑受熱分解過(guò)程中吸收熱量、釋放自由基阻斷鏈?zhǔn)椒磻?yīng)、降低有毒氣體濃度以及覆蓋可燃物表面隔絕氧氣。含添加劑細(xì)水霧在抑制鋰電池火災(zāi)方面近年來(lái)也頗為關(guān)注。Zhu等[6]進(jìn)行了含表面活性劑細(xì)水霧對(duì)抑制鋰電池?zé)崾Э氐挠绊懷芯浚Y(jié)果表明加入表面活性劑能迅速降低火焰溫度，縮短滅火時(shí)間，滅火能力明顯增強(qiáng)，同時(shí)單烷基醚磷酸鉀和脂肪酸酯聚氧乙烯醚可吸附CO、CH4等可燃?xì)怏w，提高滅火性能；周征等[7]研究了不同表面活性劑對(duì)細(xì)水霧抑制鋰電池火災(zāi)的影響，并通過(guò)對(duì)比分析復(fù)配了陰離子-非離子表面活性劑溶液；張青松等[8-9]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含有表面活性劑和化學(xué)添加劑的復(fù)合添加劑可以降低表面張力，并與自由基結(jié)合，提高水霧對(duì)鋰電池?zé)崾Э氐囊种颇芰?，并且研究了物理添加劑和化學(xué)添加劑抑制鋰電池?zé)崾Э氐淖罴褲舛?，發(fā)現(xiàn)0.16%FC-4和0.32%尿素效果最佳。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文綜述了鋰電池發(fā)生熱失控的主要原因，影響熱失控嚴(yán)重程度的因素，細(xì)水霧在鋰電池火災(zāi)方面的應(yīng)用。

通常，鋰電池的熱失控主要是由熱濫用、過(guò)度充放電、機(jī)械損傷引起。這些因素會(huì)造成電池內(nèi)部短路，從而使內(nèi)部發(fā)生不良化學(xué)反應(yīng)釋放大量熱，進(jìn)而誘發(fā)熱失控，在此過(guò)程中，鋰電池會(huì)產(chǎn)生大量有毒有害氣體以及噴射式火焰，危害人們的生產(chǎn)生活安全。

由于鋰電池?zé)崾Э靥匦?，一旦發(fā)生火災(zāi)將難以控制，在這種狀況下，滅火劑需要擁有較高的冷卻能力和迅速撲滅明火的能力。相比于氣體滅火劑和干粉滅火劑，細(xì)水霧在滅火性能和環(huán)境友好性方面達(dá)到了理想的平衡，然而國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者大多集中在單電池或少量并排放置的電池?zé)崾Э鼗馂?zāi)上，對(duì)細(xì)水霧抑制不同連接方式的鋰電池火災(zāi)研究較少，存在一定的模型偏差，對(duì)鋰電池火災(zāi)的抑制機(jī)理沒(méi)有準(zhǔn)確的定論。為了提高細(xì)水霧滅火性能，細(xì)水霧添加劑是較好的研究方向，然而較多集中于在氣體防滅火方面的研究，應(yīng)用于鋰電池火災(zāi)的研究較少。