鋰離子電池充放電循環(huán)測(cè)試滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

張賢凱　易勝男　熊蕊蕊

摘要：隨著新能源鋰離子的發(fā)展，三元電池成為主流，但其提高能量密度的同時(shí)，加大了安全風(fēng)險(xiǎn)，本文分析了鋰離子電池的充放電生產(chǎn)過(guò)程中的火災(zāi)危險(xiǎn)性，從廠房建筑防火控制措施，設(shè)備消防系統(tǒng)配備雙重預(yù)防及控制機(jī)制著手，對(duì)充放電循環(huán)生產(chǎn)過(guò)程中的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)防和控制，為鋰離子電池制造企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程消防滅火技術(shù)、安全管理提供一定的參考借鑒。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;充放電循環(huán);熱失控;建筑防火;本質(zhì)安全

1 引言

近年來(lái)，隨著全球新能源汽車(chē)市場(chǎng)需求的不斷擴(kuò)大，鋰電池行業(yè)的發(fā)展十分迅猛。而當(dāng)前隨著鋰電池能量密度的不斷提高，暴露出不少安全問(wèn)題，其中鋰電池在制造時(shí)的安全性已經(jīng)成為各鋰電池企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)[1]。三元鋰電池的能量密度一直在提升，使得鋰電池功率增大，續(xù)航時(shí)間延長(zhǎng)[2]，但由于能量密度大，生產(chǎn)過(guò)程中，充放電的循環(huán)發(fā)生熱失控風(fēng)險(xiǎn)較大，瞬間放出大量的熱量，引起火災(zāi)甚至爆炸事故發(fā)生[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要集中在鋰離子電池?zé)崽匦岳碚揫4]、電池材料[5-6]及電解液熱穩(wěn)定性[1，7]等方面，對(duì)鋰離子電池，尤其是三元鋰電池生，生產(chǎn)過(guò)程中的滅火技術(shù)缺少深入的研究。由此，本文以鋰離子電池生產(chǎn)中的充放電循環(huán)為例，從其火災(zāi)危險(xiǎn)性著手，對(duì)其有效的滅火技術(shù)措施進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

2 鋰離子電池充放電循環(huán)火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

三元鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)主要體現(xiàn)在充放電循環(huán)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其火災(zāi)危險(xiǎn)性如下：

（1）鋰離子電池生產(chǎn)過(guò)程如粉塵管控不足，金屬粉塵進(jìn)入電池內(nèi)，刺穿隔膜，充放電循環(huán)式，形成內(nèi)短路，引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸。行業(yè)內(nèi)此類(lèi)事故多發(fā)。

（2）充放電循環(huán)時(shí)，如設(shè)備異常造成充電電壓高于設(shè)計(jì)電壓值，電芯本體會(huì)因?yàn)闇囟炔粩嗌唿c(diǎn)燃內(nèi)部電解液等易燃易爆物質(zhì)，發(fā)生內(nèi)部熱失控，引起火災(zāi)，甚至爆炸。

（3）異常情況下，電池正負(fù)極殼體外部短路時(shí)，短路點(diǎn)的大電流擊穿電芯，引起電芯冒煙起火。

（4）充放電設(shè)備存放多顆電池，設(shè)備內(nèi)部容積有限，發(fā)生熱失控處理不及時(shí)，高溫引起內(nèi)部電解液揮發(fā)，會(huì)形成引起易燃易爆環(huán)境，造成火災(zāi)爆炸事故。

（6）充放電廠房生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)，設(shè)備往往呈巷道式布置，一顆電芯發(fā)生火災(zāi)爆炸，如果滅火、排煙不及時(shí)，會(huì)引起整改區(qū)域火情、煙霧蔓延，造成較大火災(zāi)爆炸事故，或救援人員人身傷害。

因此，考慮到鋰離子火災(zāi)危險(xiǎn)性大，充放電循環(huán)設(shè)備設(shè)計(jì)多種、綜合的消防滅火其他對(duì)于充放電生產(chǎn)工序的火災(zāi)的及時(shí)有效處置非常關(guān)鍵。

3 鋰離子電池充放電循環(huán)生產(chǎn)工序火災(zāi)設(shè)計(jì)原則

應(yīng)對(duì)鋰離子電池火災(zāi)，首先要從設(shè)計(jì)上要考慮多重手段，本質(zhì)安全與管理手段并行，多管齊下：主要遵從如下原則：

（1）既要有效、又要及時(shí);盡力將火災(zāi)控制在單個(gè)庫(kù)位單個(gè)電芯，防止波及到其他區(qū)域。

（2）既要滅火，又要排煙;既要防止火勢(shì)造成財(cái)產(chǎn)損失，又要防止火情或煙霧對(duì)救援人員造成傷害

（3）既要從源頭控制，又要從全局考慮;考慮對(duì)單個(gè)庫(kù)位及整個(gè)區(qū)域的影響。

（4）既要設(shè)備設(shè)施響應(yīng)，又要人為干預(yù)。自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合。

4 綜合滅火措施的設(shè)計(jì)

4.1設(shè)備本質(zhì)安全設(shè)計(jì)及設(shè)備消防設(shè)計(jì)

以某工廠“充放電循環(huán)產(chǎn)線(xiàn)”為例，其中設(shè)備采用巷道式布置在狹長(zhǎng)封閉空間，通道上運(yùn)行堆垛車(chē)，并作為消防通道，廠區(qū)狹小，設(shè)備密集，電池存放量大。

4.1.1 本質(zhì)安全設(shè)計(jì)

循環(huán)測(cè)試設(shè)備針床內(nèi)部包含測(cè)試監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)采集鋰電池在充放電過(guò)程中的電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)。

設(shè)備程序針對(duì)鋰離子電池的循環(huán)過(guò)程中出現(xiàn)的異常等級(jí)設(shè)計(jì)了兩種不同層級(jí)的保護(hù)邏輯，通過(guò)自動(dòng)切斷充放電循環(huán)來(lái)預(yù)防電池出現(xiàn)冒煙起火：

一級(jí)保護(hù)：指單電芯在充放電過(guò)程中單個(gè)采樣點(diǎn)的電壓、電流、溫度采樣數(shù)據(jù)上升、下降、波動(dòng)并超出設(shè)定的閾值，軟件監(jiān)測(cè)到此類(lèi)數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)聯(lián)鎖停止單電芯充放電過(guò)程，防止發(fā)生冒煙起火。

二級(jí)保護(hù)：在某一設(shè)定的時(shí)間周期內(nèi)，采樣電壓連續(xù)波動(dòng)點(diǎn)數(shù)及波動(dòng)值超出設(shè)定的閾值，軟件在檢測(cè)到此類(lèi)異常數(shù)據(jù)時(shí)立刻通知電源柜停止夾具內(nèi)所有電芯的充放電流程。

4.1.2 設(shè)備消防設(shè)計(jì)

循環(huán)設(shè)備前后方各一個(gè)煙霧探測(cè)器，電芯殼體溫度檢測(cè)探頭（內(nèi)置于測(cè)試針床），電壓電流溫度采樣線(xiàn)，惰性氣體噴射嘴（噴射1230滅火劑），測(cè)試針床的上下夾具接口設(shè)置有可自動(dòng)閉合的消防門(mén)即設(shè)備門(mén)，消防門(mén)閉合后針床內(nèi)部可形成一個(gè)與外界完全隔絕的環(huán)境。設(shè)備外部配備1230自動(dòng)滅火系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)電芯冒煙起火的自動(dòng)響應(yīng)。

單電芯在充放電時(shí)，在某一設(shè)定的時(shí)間周期內(nèi)，同一個(gè)針床內(nèi)N個(gè)電芯的殼體溫度采樣值超出設(shè)定的閾值（N值可任意設(shè)置），或任一煙霧探測(cè)器檢測(cè)到煙霧信號(hào)且任一電芯殼體溫度采樣值超出設(shè)定的的閾值，此時(shí)測(cè)試針床立刻將電芯與探針組分離，自動(dòng)將消防門(mén)閉合（隔絕外部空氣進(jìn)入），并控制惰性氣體儲(chǔ)氣罐閥門(mén)自動(dòng)打開(kāi)向測(cè)試針床內(nèi)噴射1230惰性氣體，1230氣體為新型滅火劑，專(zhuān)門(mén)針對(duì)鋰離子電池火災(zāi)處置，自動(dòng)響應(yīng)反應(yīng)迅速，6s即可響應(yīng)，60s內(nèi)即可對(duì)火情進(jìn)行有效壓制。

同時(shí)，設(shè)備每個(gè)庫(kù)位設(shè)計(jì)水噴淋系統(tǒng)，水消防管路布局合理，庫(kù)位內(nèi)設(shè)計(jì)有噴淋機(jī)構(gòu)，噴淋區(qū)域能夠覆蓋整個(gè)庫(kù)位。設(shè)備水噴淋系統(tǒng)作為1230滅火劑的補(bǔ)充使用。當(dāng)1230不能有效撲滅火情時(shí)，手動(dòng)啟動(dòng)消費(fèi)水噴淋，對(duì)庫(kù)位進(jìn)行滅火壓制;

每層庫(kù)位配備排煙系統(tǒng)，火災(zāi)發(fā)生時(shí)，操作裝置在信號(hào)作用下將閥門(mén)打開(kāi)，進(jìn)行排煙。

4.2廠房建筑防火滅火布置設(shè)計(jì)

結(jié)合建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范要求，同時(shí)針對(duì)鋰電池行業(yè)危險(xiǎn)性，對(duì)廠房建設(shè)防火設(shè)計(jì)如下：

4.2.1防火分隔

充放電循環(huán)區(qū)域應(yīng)進(jìn)行獨(dú)立的防火分隔，隔墻耐火時(shí)間大于3h。

4.2.2區(qū)域高度

區(qū)域設(shè)備高度不應(yīng)超過(guò)2m，便于進(jìn)行滅火救援;貨架只車(chē)間頂部距離不少于0.8-1m，預(yù)留容煙空間。

4.2.3疏散救援通道

區(qū)域縱向設(shè)置不少于0.9*1.8m的救援通道;中部位置需要設(shè)置橫向的應(yīng)急救援通道，寬度不小于0.9m，并設(shè)置安全出口，橫向通道的數(shù)量為每隔20m設(shè)置一個(gè);

4.2.4安全出口：

區(qū)域內(nèi)最少兩個(gè)安全出口，并盡量以對(duì)角方式進(jìn)行設(shè)置;區(qū)域設(shè)置觀察窗。

4.2.5消防設(shè)施

（1）按要求設(shè)置煙感火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng);

（2）區(qū)域設(shè)置廠房噴霧系統(tǒng);

（3）設(shè)置消火栓系統(tǒng)，需要保證有兩股水袋到達(dá)任意位置;需要設(shè)置導(dǎo)流槽收集消防水。

（4）需要設(shè)置廠房消防機(jī)械排煙，要求換氣次數(shù)12次/h，最不利點(diǎn)距離排煙口不超過(guò)20m。

5 結(jié)語(yǔ)

鋰電池綜合滅火技術(shù)設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中，在處置電池充放電循環(huán)測(cè)試過(guò)程中的火災(zāi)事故上非常有效。優(yōu)勢(shì)如下：

（1）設(shè)備預(yù)防火災(zāi)本質(zhì)安全設(shè)計(jì)能夠快速及時(shí)響應(yīng)，溫度異常、電壓異常，煙感感應(yīng)燈多種觸發(fā)邏輯，及時(shí)切斷充放電動(dòng)作，防止電池起火。

（2）能夠快速有效壓制初期火災(zāi)，有效控制鋰電池起火后的蔓延，控制在局部。N-1230滅火劑專(zhuān)用于鋰電池起火，自動(dòng)觸發(fā)，6S即可響應(yīng)，快速將火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)扼殺在初期萌芽狀態(tài);當(dāng)1230效果不佳時(shí)，還能手動(dòng)開(kāi)啟設(shè)備水噴淋對(duì)單庫(kù)位火災(zāi)進(jìn)行處置。

（3）蜂巢式庫(kù)位設(shè)計(jì)及庫(kù)位的防火材料，能夠?yàn)闇缁馉?zhēng)取時(shí)間，防止火情向其余區(qū)域蔓延。

（4）設(shè)備設(shè)置自動(dòng)排煙系統(tǒng)，防止煙霧蔓延到其他區(qū)域;

（5）廠房設(shè)置自動(dòng)報(bào)警、噴淋水、消防栓系統(tǒng)、廠房排煙系統(tǒng)，能有效應(yīng)對(duì)初期火勢(shì)處置失控的蔓延。

綜上所述滅火技術(shù)、系統(tǒng)針對(duì)性強(qiáng)，能夠快速、有效、及時(shí)的處理鋰電池充放電循環(huán)起火，防止蔓延與波及，降低財(cái)產(chǎn)損失，也能保障應(yīng)急人員的人身安全。

作者簡(jiǎn)介：

張賢凱，碩士，主要從事鋰電池防火防爆、滅火技術(shù)的研究與應(yīng)用。

易勝男，學(xué)士，主要從事消防安全及畜電池安全研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 戈司，王青松.鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性研究就相關(guān)進(jìn)展[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2012，9（06）：1-1.

[2] 李毅，于東興，張少禹，劉欣，王健強(qiáng).鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22（11）：36-41.施志聰，楊勇.聚陰離子型鋰離子電池正極材料研究進(jìn)展[J].化學(xué)進(jìn)展，2005（04）：604-613.

[3] 司戈，王青松.鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性及相關(guān)研究進(jìn)展[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2012，31（09）：994-996.