電動(dòng)汽車鋰電池火災(zāi)特性及滅火技術(shù)

文/張磊

安全是保障電動(dòng)汽車健康快速可持續(xù)發(fā)展的首要前提，本文在大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，揭示了電動(dòng)汽車鋰電池火災(zāi)的特點(diǎn)和類型，闡明了鋰電池火災(zāi)的處置原則、滅火策略。

電動(dòng)汽車是我國重點(diǎn)扶持的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，對(duì)我國能源結(jié)構(gòu)改革，打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)具有重要戰(zhàn)略意義。然而，在新能源汽車的推廣應(yīng)用過程中，發(fā)生了一系列火災(zāi)事故，如“4·26”深圳五洲龍A10純電動(dòng)大巴充電著火事故等。國家電動(dòng)汽車重大科技專項(xiàng)特聘專家王秉剛表示，新能源汽車自燃火災(zāi)次數(shù)隨產(chǎn)銷量而增長，粗略統(tǒng)計(jì)，平均每100萬輛新能源汽車發(fā)生火災(zāi)次數(shù)為50次，推算到2020年，如果新能源汽車保有量達(dá)到500萬輛時(shí)，火災(zāi)事故將達(dá)到250次，由此可見，新能源汽車的起火事故將會(huì)進(jìn)一步爆發(fā)。

經(jīng)消防部門數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)熱失控是引發(fā)車輛著火的首要原因。鋰電池燃燒具有燃燒速度快、火焰強(qiáng)度大、產(chǎn)生大量有毒有害煙氣等特點(diǎn)，這對(duì)火災(zāi)撲救與應(yīng)急救援帶來了極大挑戰(zhàn)。

為提高消防部門處置電動(dòng)汽車火災(zāi)事故的技戰(zhàn)術(shù)水平，應(yīng)急管理部上海消防研究所自2011年以來，開展了大量鋰電池火災(zāi)燃燒特性、滅火技術(shù)及消防安全標(biāo)準(zhǔn)研究，并編制了中國汽車工程學(xué)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)汽車鋰離子電池箱火災(zāi)防控裝置性能要求和測試方法》，旨在提高電動(dòng)汽車火災(zāi)防控安全等級(jí)，保障我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的健康快速可持續(xù)發(fā)展。

鋰電池火災(zāi)特性

鋰電池由于自身制造缺陷，或受外界溫度、機(jī)械、充電異常等激勵(lì)，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生不可逆的副反應(yīng)，如SEI膜分解、正極材料分解和電解液的分解，產(chǎn)生大量熱，并釋放出小分子氣體。由于反應(yīng)劇烈，產(chǎn)生的熱量不能有效傳遞到電池外部，引起電池內(nèi)部溫度和壓力的急劇上升，而溫度的上升又會(huì)極大地加速副反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)生更大量的熱和氣體，此時(shí)電池進(jìn)入無法控制的自加速狀態(tài)，即俗稱的熱失控。

熱失控是鋰電池內(nèi)部發(fā)生的劇烈不可逆的氧化還原反應(yīng)，并伴隨著溫度和壓力的急劇升高，宏觀表現(xiàn)為噴射狀火焰特征，反應(yīng)速度快，火焰強(qiáng)度大。應(yīng)急管理部上海消防研究所自2011年以來，開展了大量不同結(jié)構(gòu)、不同容量、不同電化學(xué)體系鋰電池的燃燒特性研究，闡明了磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的火災(zāi)類型，宏觀表現(xiàn)為“溫升—鼓脹—破裂—煙氣—主/被動(dòng)著火”，揭示了鋰電池火災(zāi)的特征，可歸納為以下幾個(gè)方面：

鋰電池燃燒速度快、溫度高

三元鋰電池單體過充著火試驗(yàn)

磷酸鐵鋰電池單體滅火試驗(yàn)

鋰電池火災(zāi)一般是由內(nèi)部熱失控引發(fā)的，SEI膜分解后，電池正極材料、負(fù)極材料、電解液發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)。以三元鋰電池為例，經(jīng)過對(duì)鋰電池的燃燒殘留物進(jìn)行解剖和分析，發(fā)現(xiàn)鋰電池正極銅箔發(fā)生部分融化，由此可斷定，鋰電池燃燒時(shí)，內(nèi)部局部溫度超過了銅的熔點(diǎn)（1 083 ℃），同時(shí)，經(jīng)紅外熱成像儀測試，三元鋰電池的最高燃燒溫度一般可達(dá)800～1 000 ℃。此外，高溫導(dǎo)致了化學(xué)反應(yīng)加速，在測試實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，部分鋰電池電芯燃燒從明火出現(xiàn)至火焰完全熄滅，耗時(shí)僅6～9 s，燃燒非常迅速。

鋰電池火焰噴射距離遠(yuǎn)，伴隨有內(nèi)溶物飛出

鋰電池單體一般設(shè)有泄壓口，鋰電池?zé)崾Э貎?nèi)部產(chǎn)生高溫高壓氣體的泄放時(shí)刻取決于泄放壓力的大小，對(duì)于三元鋰電池等主動(dòng)著火式鋰電池，鋰電池的著火過程也是壓力泄放的過程，由于泄壓面積較小，形成的火焰噴射距離較長，經(jīng)試驗(yàn)測定，最長噴射距離可達(dá)3～5 m。此外，鋰電池著火時(shí)一般還伴隨著銅箔等內(nèi)溶物的飛出，形成新的著火點(diǎn)，經(jīng)試驗(yàn)測定，最遠(yuǎn)飛出距離可達(dá)5～6 m，因此，鋰電池火災(zāi)的蔓延速度極快，這對(duì)鋰電池火災(zāi)的初期處置帶來極大困難。

不同電化學(xué)體系的鋰電池燃燒特征差異大

不同的鋰電池電化學(xué)體系，熱失控時(shí)內(nèi)部發(fā)生的副反應(yīng)不同，產(chǎn)生的溫度和壓力也不同，導(dǎo)致著火形式不同。對(duì)于磷酸鐵鋰電池而言，一般內(nèi)部產(chǎn)生的溫度較低，小于逸出可燃?xì)怏w的點(diǎn)火能，需要有外部引火源才能著火；對(duì)于三元鋰電池而言，一般內(nèi)部溫度較高，大于逸出可燃?xì)怏w的點(diǎn)火能，鋰電池破口時(shí)，可直接引燃逸出的可燃?xì)怏w，形成噴射火。

鋰電池逸出氣體成分復(fù)雜，毒性大

鋰電池?zé)崾Э貢?huì)產(chǎn)生大量可燃、有毒氣體，如CO、HF、H2、CH4等，這些可燃、有毒氣體的蔓延速度很快，一旦蔓延到人員密集型場所，易形成群體性中毒事件。同時(shí)，在鋰電池火災(zāi)的撲救過程中，消防員必須穿戴好各類防護(hù)裝具，以保障人身安全。

鋰電池的火災(zāi)分類

GB/T 4968-2008《火災(zāi)分類》中將火災(zāi)分為A類固體物質(zhì)火災(zāi)、B類液體或可熔化的固體物質(zhì)火災(zāi)、C類氣體火災(zāi)、D類金屬火災(zāi)、E類帶電火災(zāi)、F類烹飪器具內(nèi)的烹飪物（如動(dòng)植物油脂）火災(zāi)，火災(zāi)分類是火災(zāi)防護(hù)與撲救的重要前提。鋰電池火災(zāi)一般是由電池內(nèi)部的熱失控引發(fā)的，類似于小型的化工反應(yīng)熱失控，經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于三元鋰電池而言，內(nèi)部產(chǎn)生高溫高壓氣體噴射時(shí)，被氣體攜帶的內(nèi)部炙熱顆粒引燃著火，因此主要表現(xiàn)為C類噴射火；對(duì)于磷酸鐵鋰而言，首先是內(nèi)部可燃?xì)怏w在電池破裂后發(fā)生蔓延擴(kuò)散，并與空氣形成可燃性預(yù)混氣體，因此主要表現(xiàn)為C類預(yù)混火。由此可見，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池主要表現(xiàn)均為C類火。

鋰電池火災(zāi)撲救技術(shù)

鋰電池火災(zāi)具有燃燒速度快、火焰強(qiáng)度大且呈噴射狀等特點(diǎn)，滅火藥劑很難直接作用于火焰根部，且由于鋰電池外包裝材料的封閉效應(yīng)，鋰電池火災(zāi)的滅火難度很大。下面從滅火藥劑、滅火原則、滅火策略等角度出發(fā)，闡述鋰電池火災(zāi)的滅火方法，以提高鋰電池火災(zāi)的抑制效能。

滅火藥劑

目前，我國使用較多的滅火劑主要有氫氟碳類滅火劑（如七氟丙烷）、干粉滅火劑、熱氣溶膠滅火劑、惰性氣體滅火劑、細(xì)水霧滅火劑等，除此之外還有一些新型的，但在我國暫未大規(guī)模推廣使用的滅火劑，如Novec1230等。目前，國內(nèi)還沒有評(píng)價(jià)滅火劑撲滅鋰電池火災(zāi)效能的測試標(biāo)準(zhǔn)或方法，在滅火劑選擇時(shí)，應(yīng)綜合考慮環(huán)境適應(yīng)性、誤噴危害、噴射殘留、滅火濃度、藥劑用量等因素，同時(shí)還應(yīng)考慮鋰電池火災(zāi)的具體場景，如在開放空間時(shí)，不適合選用氣體滅火劑。此外，鋰電池火焰強(qiáng)度很大，在設(shè)定鋰電池火災(zāi)的滅火濃度時(shí)，宜通過實(shí)際測試的方法來確定，但至少應(yīng)為滅火劑的惰化濃度。

滅火原則

鋰電池火災(zāi)是由電池內(nèi)部熱失控引發(fā)的，而熱失控是一種不可逆的、自反應(yīng)性的氧化還原反應(yīng)，因此，鋰電池火災(zāi)明火可撲滅，但熱失控反應(yīng)卻阻止不了，這就導(dǎo)致了鋰電池火災(zāi)的復(fù)燃概率較傳統(tǒng)火災(zāi)要高出許多。撲救鋰電池火災(zāi)時(shí)，一要及時(shí)撲滅明火，避免火災(zāi)快速蔓延；二要降低熱失控反應(yīng)速率，使鋰電池內(nèi)部熱失控反應(yīng)產(chǎn)生的熱量有序釋放；三要持續(xù)降低鋰電池溫度，避免鋰電池火災(zāi)發(fā)生復(fù)燃和快速蔓延。

滅火策略

鋰電池的著火形式主要可分為兩種，一種是以三元鋰電池為代表的主動(dòng)式噴射火形式，另一種是以磷酸鐵鋰電池為代表的被動(dòng)式預(yù)混氣體火形式。鋰電池著火形式雖有不同，但所采用的滅火策略是一致的。經(jīng)大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，無論是三元鋰電池還是磷酸鐵鋰電池，在剛著火時(shí)的火焰強(qiáng)度一般是最強(qiáng)的，若在密閉環(huán)境內(nèi)，甚至可能發(fā)生爆炸，針對(duì)這一特點(diǎn)，宜采用“預(yù)先抑制—早期噴放”的策略，通過監(jiān)測鋰電池?zé)崾Э爻跗诘男袨樘卣?，如氣體、煙霧等，在鋰電池出現(xiàn)明火前噴放滅火劑，形成惰化環(huán)境，降低鋰電池出現(xiàn)明火的概率，或降低鋰電池的火焰強(qiáng)度，避免鋰電池發(fā)生快速蔓延，出現(xiàn)大規(guī)模轟燃。對(duì)于在開放空間內(nèi)的鋰電池著火情況，宜使用大量、持續(xù)的降溫型滅火劑，并及時(shí)將著火鋰電池和其他電池有效分離，如用水浸沒等，防止火災(zāi)發(fā)生蔓延。

《電動(dòng)汽車鋰離子電池箱火災(zāi)防控裝置性能要求和測試方法》標(biāo)準(zhǔn)介紹

提高車載動(dòng)力電池系統(tǒng)安全等級(jí)是電動(dòng)汽車火災(zāi)防控的關(guān)鍵，GB 7258-2017《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》和《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》(暫未公布，沒有標(biāo)準(zhǔn)號(hào))中明確要求了動(dòng)力電池系統(tǒng)應(yīng)能在發(fā)生熱失控時(shí)及時(shí)報(bào)警，且報(bào)警后5 min內(nèi)電池箱外不起火爆炸；交通部發(fā)布的多個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)如JT/T 1026-2016《純電動(dòng)城市客車通用技術(shù)條件》、JT/T 1025-2016《混合動(dòng)力城市客車技術(shù)條件》以及JT/T 325-2018 《營運(yùn)客車類型劃分及等級(jí)評(píng)定》中更是明確要求車載動(dòng)力電池系統(tǒng)應(yīng)裝配具有報(bào)警功能的自動(dòng)滅火裝置。為建立科學(xué)有效的動(dòng)力電池系統(tǒng)自動(dòng)滅火裝置效能評(píng)價(jià)與測試方法，應(yīng)急管理部上海消防研究所在前期大量動(dòng)力電池燃燒特性、熱失控探測、滅火技術(shù)等研究的基礎(chǔ)上，編制了中國汽車工程學(xué)會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)汽車鋰離子電池箱火災(zāi)防控裝置性能要求和測試方法》，該標(biāo)準(zhǔn)于2018年7月24日由中國汽車工程學(xué)會(huì)和中國消防協(xié)會(huì)聯(lián)合發(fā)布。

該標(biāo)準(zhǔn)在外觀與標(biāo)志、供電、探測報(bào)警、啟動(dòng)運(yùn)行、相容性、故障報(bào)警、啟動(dòng)反饋、滅火性能等方面對(duì)電動(dòng)汽車鋰離子電池箱火災(zāi)防控裝置作了詳細(xì)規(guī)定，其中在滅火性能方面，主要考慮滅火時(shí)間、箱內(nèi)溫度、箱內(nèi)壓力、箱外有無明火等指標(biāo)。為確?；馂?zāi)防控裝置的滅火效能，設(shè)定滅火時(shí)間應(yīng)小于30 s，且10 min內(nèi)不應(yīng)復(fù)燃；為避免火焰?zhèn)鬟f到電池箱外，設(shè)定電池箱內(nèi)相對(duì)壓力小于50 kPa，并要求電池箱外應(yīng)無明火；為防止鋰電池火災(zāi)發(fā)生擴(kuò)展，設(shè)定電池箱內(nèi)測點(diǎn)溫度小于150 ℃。（本文作者單位系應(yīng)急管理部上海消防研究所）