鋰離子電動汽車火災(zāi)危險性與應(yīng)急救援研究

宋志龍 孫均利

(中國人民警察大學(xué) 河北廊坊 065000)

0 引言

近年來，隨著環(huán)境污染和能源危機等問題的日益突出，新能源電動汽車的發(fā)展得到廣泛關(guān)注。與鉛酸電池、鈉硫電池等為能源供給的傳統(tǒng)電動汽車相比，鋰離子電動汽車具有能量密度高、使用壽命長、對環(huán)境污染小等優(yōu)點，獲得市場的高度青睞。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2011年我國新能源汽車年產(chǎn)量僅0.8萬輛，占全國汽車比重不到1‰；2018年我國新能源汽車年產(chǎn)量已突破100萬輛，預(yù)計2020年達到200萬輛[1]。

作為鋰離子電動汽車的重要組成部分，鋰離子電池組具有電極材料活性較高、電化學(xué)反應(yīng)過程易于放熱等特性，相對于傳統(tǒng)汽車構(gòu)造而言，鋰離子電動汽車的火災(zāi)危險性更大，起火后火災(zāi)的蔓延更加迅速。由于市場和政策因素的影響，鋰離子電動汽車所配備的電池組的能量密度和電池數(shù)量呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，由此導(dǎo)致的鋰離子電動汽車安全事故接連發(fā)生。而鋰離子電動汽車的車體構(gòu)造、電氣系統(tǒng)布局方式、電池組排布方式均異于傳統(tǒng)汽車，其火災(zāi)的燃燒特性和蔓延規(guī)律也與傳統(tǒng)汽車有較大區(qū)別。應(yīng)急救援人員在處置該類事故時通常缺乏相關(guān)救援經(jīng)驗和專業(yè)知識，容易造成不必要的人員傷亡和財產(chǎn)損失。本文從鋰離子電動汽車的火災(zāi)原理出發(fā)，結(jié)合國內(nèi)外研究動態(tài)，對鋰離子電動汽車的火災(zāi)危險性和燃燒特性進行研究分析，為救援人員和研究人員提供參考。

1 鋰離子電動汽車危險性研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)對于鋰離子電動汽車危險性的研究，集中在汽車的電池組和電氣系統(tǒng)部分，這也是鋰離子電動汽車與傳統(tǒng)汽車相比，區(qū)別較大的地方。有學(xué)者對鋰離子電動汽車起火的火災(zāi)科學(xué)理論、電化學(xué)反應(yīng)理論和突變理論等進行了研究，從電池組的反應(yīng)機理方面進行了討論。李毅等[2]對傳統(tǒng)消防滅火劑在鋰離子電池火災(zāi)中的效用進行了實驗研究；張怡等[3]研究了鋰離子電池火災(zāi)發(fā)生后的蔓延特征和痕跡鑒定技術(shù)；中科大火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室從火災(zāi)動力學(xué)角度，對鋰離子電池的熱失控機制和汽車用鋰離子電池火災(zāi)危險性進行了研究。總體來看，目前國內(nèi)相關(guān)人員多是對鋰離子電動汽車火災(zāi)進行了單方面的研究，但整體上還沒有形成完整和成熟的體系，也沒有給出在應(yīng)急救援和火災(zāi)調(diào)查方面的具體方案。隨著市場規(guī)模的不斷擴大和鋰電池電動汽車火災(zāi)事故的發(fā)生，國內(nèi)對該類汽車火災(zāi)危險性研究的項目需求也在不斷增大。

在國際上，以美國消防協(xié)會(NFPA)對鋰離子電動汽車為代表的新能源電動汽車的危險性研究最為領(lǐng)先，相比于國內(nèi)，NFPA對此方面相關(guān)的研究開展的也較早。2011年NFPA通過美國能源部的撥款和與有關(guān)汽車廠商的合作，啟動了鋰離子電池儲存危險性和滅火方法研究，通過一系列模擬實驗的數(shù)據(jù)采集和分析，制訂了鋰離子電動汽車的救援規(guī)范，對實際滅火救援工作進行指導(dǎo)，并有綜合性的安全培訓(xùn)計劃，培訓(xùn)應(yīng)急救援人員能夠?qū)﹄妱悠囘M行相應(yīng)的安全處理。

2 鋰離子電動汽車火災(zāi)危險性分析

2.1 火災(zāi)事故統(tǒng)計與危險性分析

根據(jù)統(tǒng)計資料和新聞報道，大部分鋰離子電動汽車火災(zāi)發(fā)生在環(huán)境溫度較高的夏季，占比達78%，其中私家車、物流車和大巴車都有火災(zāi)事故的相關(guān)報道。而在混合型電動汽車、混合動力汽車和純電動汽車3種類型的汽車火災(zāi)中，純電動汽車占82%，占比遠高于其他類型電動汽車。

在諸多案例中，不乏比亞迪、特斯拉等實力雄厚、技術(shù)較為先進的行業(yè)龍頭企業(yè)。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)表現(xiàn)出的鋰離子電動汽車火災(zāi)的普遍性來看，目前行業(yè)的技術(shù)規(guī)范和應(yīng)用方面還存在問題。從鋰離子電池本身的固有屬性和實際應(yīng)用情況來看，主要有以下的3個方面。

(1)電池容量增大的同時更不穩(wěn)定

目前車用鋰離子電池大量采用的三元鋰電池，與傳統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池相比，其能量密度更高，但熱穩(wěn)定性更差。

(2)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)特性更脆弱

目前電動汽車裝配的鋰離子電池，均采用負極極片/電解質(zhì)薄膜(現(xiàn)多為固體電解質(zhì)層)/正極極片的方式進行卷繞或疊片，而固體電解質(zhì)薄膜在外來沖擊(穿刺、碰撞、進水、熱沖擊等)情況下，或是內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)Li+析出形成鋰枝晶導(dǎo)致穿刺等情況下，較傳統(tǒng)電池的液態(tài)電解質(zhì)，都更容易出現(xiàn)薄膜故障導(dǎo)致短路。而每個電池單元由硬質(zhì)鐵皮密封包裹，內(nèi)部發(fā)生熱失控時，熱量無法釋放，內(nèi)部壓力會迅速升高，容易導(dǎo)致爆炸[4]。

(3)電解質(zhì)的熱分解

鋰離子電池中常用的電解質(zhì)體系為LiCoO4/PC，LiPF6/EC+DEC等。電解質(zhì)的熱分解反應(yīng)主要是體系溫度升高時，電解液溶劑與鋰鹽發(fā)生反應(yīng)，放出大量的熱。研究人員對常見電解質(zhì)體系的熱行為的實驗結(jié)果以及一些熱動力參數(shù)進行了實驗統(tǒng)計[5]，可知鋰鹽本身的熱穩(wěn)定性不能等同于電池中使用的電解液的熱穩(wěn)定性?；旌先軇〦C+DEC的熱穩(wěn)定性在加入鋰鹽后出現(xiàn)了顯著的下降，說明電解液的熱穩(wěn)定性比未加鋰鹽的混合溶劑要大得多；同時電解液的熱分解不僅自身放熱，還會影響到電極材料的穩(wěn)定性，促進電極物質(zhì)和電解液之間的化學(xué)反應(yīng)[6]。

2.2 鋰離子電池在各沖擊條件下的實驗表現(xiàn)

(1)外穿刺情況下的火災(zāi)危險性

對選購的3種常見型號的車用鋰離子電池進行穿刺實驗，分別采用電池荷電狀態(tài)(SOC)為0，50%，100%進行對照實驗。其中SOC值為0時電池出現(xiàn)漏液但未發(fā)生短路，而SOC值為50%和100%時，穿刺后數(shù)秒有白色煙霧從針刺破損部位逸出，十幾秒后有少量液體從針刺破損部位噴出，隨后持續(xù)伴有細碎的氣泡從破損處噴出。鋼針拔出后氣泡持續(xù)噴出，噴出量先增多后逐漸減少，幾分鐘后再無明顯現(xiàn)象。雖然針刺條件下電池未出現(xiàn)明火，但荷電值越高電池?zé)嵝?yīng)越顯著，在滿荷電情況下電池外表面溫度達到122.8 ℃，對于以封閉形式堆積的汽車電池組模塊已有很高的火災(zāi)危險性。

(2)過充、過放電情況下的火災(zāi)危險性

在實際使用中，人為因素導(dǎo)致的電池過充、過放電情況時有存在，保護電路失效、電池芯結(jié)構(gòu)不合理、泄壓裝置失效、電池散熱性能差等情況均可導(dǎo)致過充、過放電。在實驗室模擬的過充電情況下，電池荷電量越大，過充時火災(zāi)危險性越大，過電流達到1.5倍額定電流(4.5 A)時，內(nèi)部的電解液、隔膜即開始熱分解產(chǎn)生氣泡，給電池造成不可逆的永久性損壞，并出現(xiàn)爆炸危險。而過放電情況下，隨著不同的放電電流，電池表面出現(xiàn)溫差但都在50 ℃以內(nèi)，基本沒有火災(zāi)危險性。

(3)外熱條件下的火災(zāi)危險性

在受到外加熱的環(huán)境影響后，同種型號不同荷電值的鋰電池表現(xiàn)出了不同的火災(zāi)危險性。實驗采用電阻絲電爐作為外熱條件，對同型號的軟包鋰電池進行了熱失控實驗，圖1和圖2分別為荷電值50%和100%時熱失控情況，實驗所用軟包電池容量為4 900 mA·h。

圖1 50%荷電熱失控狀態(tài)

圖2 100%荷電熱失控狀態(tài)

根據(jù)實驗現(xiàn)象，SOC值為0和50%的電池，在外熱條件下電池能夠泄壓，空電狀態(tài)下基本不會出現(xiàn)明火，而半電狀態(tài)下電池從泄壓口噴出大量白煙并產(chǎn)生少量明火，但未形成有效燃燒即自動熄滅。而滿電狀態(tài)下鋰離子電池出現(xiàn)明火并劇烈燃燒，反應(yīng)過后鋰電池完全燒毀。根據(jù)熱電偶記錄數(shù)據(jù)，電池表面溫度在達到122 ℃左右后，都出現(xiàn)快速升高，直到達到不同荷電狀態(tài)下電池表面的溫度峰值。在實際使用情況下，環(huán)境溫度的升高對封閉條件下的鋰離子電池火災(zāi)危險性有較大影響，且滿電狀態(tài)的電池火災(zāi)危險性格外顯著。鋰離子電動汽車電池組在出現(xiàn)單個電池故障后，很容易引起整個電池組的熱失控，導(dǎo)致火災(zāi)事故的發(fā)生。

根據(jù)高飛等[7]采用錐形量熱儀對鋰離子電池的不同組分發(fā)生火災(zāi)時的燃燒性和生煙性進行的研究，車用鋰離子電池會在起火后的短時間內(nèi)即出現(xiàn)放熱峰值，系電池內(nèi)有機電解質(zhì)汽化達臨界濃度發(fā)生劇烈燃燒。沒有明確數(shù)據(jù)顯示不同的起火原因會導(dǎo)致鋰離子電池火災(zāi)發(fā)生后的反應(yīng)情況出現(xiàn)顯著差異，而電池包的密封性確會導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生后缺乏氧氣，以碳為極片和以有機物為電解質(zhì)的車用電池大量生煙。同時，由于鋰電池電化學(xué)反應(yīng)的特性，使得電池內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)在達到一定溫度條件下會不斷自發(fā)放熱，進一步加速熱失控的發(fā)生，因此外熱條件下的鋰離子電池火災(zāi)危險性更為顯著，而夏季也確為鋰離子電動汽車火災(zāi)的高發(fā)期。

3 鋰離子電池火災(zāi)防治技術(shù)討論

鋰離子電池在火災(zāi)中一旦發(fā)生燃燒，在熱失控的條件下就會發(fā)生分解反應(yīng)，如常見的鈷酸鋰電池正極材料LiCoO2充電后會變?yōu)長i0.5CoO2，熱穩(wěn)定性極差。分解反應(yīng)開始后，會不斷放出O2，導(dǎo)致反應(yīng)持續(xù)進行而無法停止，直到燃料被耗盡，或電池發(fā)生爆炸或破損。由此帶來的應(yīng)急救援問題是鋰電池電動汽車火災(zāi)無論使用何種滅火劑進行撲救，都會發(fā)生復(fù)燃，需要在撲滅明火后繼續(xù)采用水霧對電池組進行降溫。

目前在鋰電池電動汽車緊急救援方面需要關(guān)注兩個問題，一是對鋰電池電動汽車火災(zāi)撲救的滅火劑種類的選擇問題，二是應(yīng)急救援過程中的操作危險性問題。

3.1 滅火劑的選用

目前來看，在對鋰電池火災(zāi)進行明火撲滅的實驗中，A類滅火劑、常見的二氧化碳滅火劑、ABC干粉滅火劑以及水成膜泡沫滅火劑均能夠撲滅鋰電池火災(zāi)明火，但實際消防救援中推薦的仍是采用大量射水進行撲救。電動汽車中的鋰電池組起火后，內(nèi)部環(huán)境較為封閉，二氧化碳滅火劑、ABC干粉滅火劑和水成膜泡沫滅火劑均可采用隔絕空氣的方式使明火熄滅，但在電池組保有較高溫度的情況下，熱失控導(dǎo)致的分解反應(yīng)仍然會持續(xù)不斷的進行。天津消防研究所的實驗人員在進行鋰離子電動汽車整車火災(zāi)的實驗中，使用上述3種滅火劑，均在明火被撲滅后出現(xiàn)了復(fù)燃現(xiàn)象，且出現(xiàn)復(fù)燃的時間與滅火劑的冷卻能力成正比。

NFPA在鋰離子電動汽車火災(zāi)應(yīng)急救援人員培訓(xùn)中，對該類火災(zāi)使用了大量射水的方式進行撲救，實驗證明采用市政管網(wǎng)的水源即可撲滅電動汽車火災(zāi)，但需水量和供水時間大大超過了撲救傳統(tǒng)汽車火災(zāi)；且明火撲滅后，必須繼續(xù)使用水霧對車體進行降溫，防止復(fù)燃[8]。在實際事故救援中，應(yīng)注意確定現(xiàn)場火焰是否完全撲滅，防止次生人員傷亡事故的發(fā)生。

3.2 應(yīng)急救援中的操作注意事項

(1)救援中射水引發(fā)導(dǎo)電危險性

鋰離子電動汽車電氣系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)汽車，其車體攜帶有高壓電氣系統(tǒng)。NFPA在進行鋰離子電動汽車整車火災(zāi)實驗的測定中，定時對滅火水槍槍口進行電氣測量，在未對應(yīng)急救援人員做出額外指導(dǎo)的情況下，水槍槍口處的電流和電壓沒有出現(xiàn)超過額定安全值的情況。說明采用大量射水的方式對鋰離子電動汽車火災(zāi)進行撲救的方案是可行的，危險性較低。

(2)救援中對車體進行破拆的危險性

對鋰離子電動汽車進行破拆救援時，在未明確車體構(gòu)造和電池組分布的情況下，破拆是極其危險的。目前市場上的電動汽車電池組多分布在底盤或后備箱中，在電動汽車的破拆實驗中，對電池組的破拆和切割實驗均發(fā)生了劇烈反應(yīng)甚至爆炸。在實際的應(yīng)急救援過程中，也出現(xiàn)了許多救援人員在未知車體構(gòu)造的情況下，誤切割電池組導(dǎo)致人員傷亡的情況。應(yīng)急救援人員在電動汽車火災(zāi)破拆救援中，必須事先對汽車構(gòu)造和電池組分布情況進行充分的了解，應(yīng)優(yōu)先對車體上部進行破拆，盡量避免對車體底部和后部進行破拆。

4 結(jié)語

隨著我國鋰離子電動汽車市場規(guī)模的不斷擴大，該類汽車的火災(zāi)案例也呈逐年上升的趨勢。鋰離子電池能量密度高，起火速度快，反應(yīng)機理和火災(zāi)發(fā)展情況有別于傳統(tǒng)汽車火災(zāi)。外部或內(nèi)部原因?qū)е碌匿囯x子電池火災(zāi)本質(zhì)上都是電池正負極短路引起，其中電解質(zhì)膜的反應(yīng)會導(dǎo)致出現(xiàn)放熱峰值，對該類火災(zāi)危險性的討論要特別注意可能使電解質(zhì)膜產(chǎn)生破損的環(huán)節(jié)。處置該類事故時可采用大量射水滅火，也可采用其余傳統(tǒng)類型滅火劑，但撲滅明火后都要持續(xù)降溫至安全溫度，否則均會發(fā)生復(fù)燃。在未知車體構(gòu)造的情況下對車體進行破拆可能會導(dǎo)致電池組爆炸事故。對國內(nèi)外的相關(guān)研究總結(jié)發(fā)現(xiàn)，相較于國外先進發(fā)達國家相關(guān)研究工作，目前國內(nèi)對鋰離子電動汽車應(yīng)急處置救援大多還在進行細分研究，缺少相應(yīng)的應(yīng)急救援規(guī)范和操作手冊，建議消防和安全部門盡快開展應(yīng)急救援規(guī)范和操作手冊的系統(tǒng)性研討和制訂工作。