鋰離子電池火災風險管控研究現(xiàn)狀分析

龐 敏 魯 義，2副教授 施式亮教授 劉 勇 周榮義

(1.湖南科技大學 資源環(huán)境與安全工程學院，湖南 湘潭411201；2.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室，湖南 湘潭411201)

0 引言

隨著經濟與科技的高速發(fā)展，不可再生能源的消耗日益增加，臭氧層破壞，霧霾等環(huán)境問題也隨之而來，因此人們將目光逐漸轉向新能源的研發(fā)與運用上。

鋰離子電池具有體積小、能量密度高、可循環(huán)使用且壽命長等特點，已被廣泛應用于各個領域，被列為高效能源材料技術的優(yōu)先發(fā)展方向。我國在“863”計劃支持下開展了有關鋰電池的基礎理論與應用研究，已取得一系列重要研究成果。鋰離子電池雖然性能優(yōu)越且應用廣泛，但存在嚴重的安全問題，最主要的問題就是由于電池熱失控而引發(fā)的燃燒和爆炸[1]，嚴重威脅到人們的生命和財產安全。因此，對鋰離子電池火災風險管控進行研究尤為重要。筆者通過查閱近年來相關文獻，主要從鋰離子電池火災的風險管控方面，針對鋰離子電池模型仿真研究技術、火災防治材料以及各階段安全評價進行綜述，并對現(xiàn)有研究的不足提供新思路。

1 鋰離子電池火災現(xiàn)狀分析

1.1 鋰離子電池火災事故典型案例

鋰離子電池火災分布在鋰離子電池生命周期的生產、運輸、使用、回收等階段。比如生產階段，2016年3月26日晚，廈門海滄一鋰電池工廠起火，起火建筑為框架結構，燃燒物質為電瓶車鋰電池等雜物，無人員傷亡；運輸階段，2006年美國一架DC-8貨機著火，在機場迫降后火仍持續(xù)燃燒了4h，貨物損失嚴重，同時還有3名機組成員受傷，經調查為貨倉內筆記本用鋰離子電池著火所致；使用階段，2006年8月2日，在未受到撞擊的情況下，一部iphone6手機的鋰離子電池起火燃燒，機主受到三級燒傷；回收階段，2009年11月7日，加拿大特雷爾市的一個鋰離子電池回收倉庫發(fā)生火災，事故原因是鋰電池短路過熱，高溫引發(fā)燃燒。

1.2 鋰離子電池火災特點

鋰離子電池火災主要表現(xiàn)為C類預混火，在起火初期的本質是氣體火災[2]。鋰電池的著火形式主要有兩種，一種是以三元鋰電池為代表的主動式噴射火，另一種是以磷酸鐵鋰電池為代表的被動式預混氣體火[3]。

鋰離子電池火災的特點可歸納為：燃燒速度快、溫度高；火焰噴射距離遠，伴隨有內溶物飛出；不同種類鋰電池火災行為差異較大燃燒特征差異大；燃燒逸出氣體成分復雜，毒性大；滅火與應急救援困難，復燃概率高。

1.3 鋰離子電池火災誘因

導致鋰離子電池火災最主要的原因是鋰離子電池受內部或外部因素影響而引發(fā)的熱失控，其中，內部因素有制造瑕疵以及自身缺陷，外部因素有過充電、短路、機械濫用、高溫熱沖擊等。短路、針刺、撞擊導致鋰離子電池熱失控的機理大致相同[4]。電池受到針刺、撞擊等外部機械因素影響時，破損部位內部會發(fā)生短路，而電池短路就會有較大電流通過鋰電池，導致電池內部產生大量的熱，隨著溫度的升高，散發(fā)的熱量足以支撐熱分解反應時，電池正極發(fā)生熱分解反應，金屬鋰析出，與外界氣體接觸引發(fā)燃燒，導致熱失控[5]。

2 鋰離子電池火災風險管控

2.1 鋰離子電池模型仿真技術研究

Farid Bahiraei等[6]提出一種新三維耦合電化學熱模型，可以更加準確地估計不同放電速率下電池的溫度分布。K.Darcovich等[7]通過運用二維歐姆定律有限體積法，確定了棱柱形電池內部的電流分布，建立了可用于表述汽車電池組熱狀態(tài)的簡化電化學模型。張遙等[8]應用CFD-ACE+軟件進行建模，針對鋰離子電池充放電情況下的熱性能，進行了仿真模擬，并對所得結果進行數(shù)值分析。結果表明，除去電極和電解液的影響因素外，引流極耳、極柱和殼體的優(yōu)化設計可以顯著改善電池內部的熱分布。張立軍等[9]運用相似原理，建立了一個將正負極集流板和電解液的歐姆熱等因素綜合考慮的三維分層耦合模型，對鋰離子電池內部各層溫度的分布和生熱速率進行了分析，發(fā)現(xiàn)負極平均生熱速率的變化大于正極。田華等[10]建立了電化學—熱耦合模型，發(fā)現(xiàn)在低放電倍率下，主要的生熱來源是可逆熱；在高放電倍率下，主要的生熱來源是液相中的歐姆熱。

2.2 鋰離子電池火災防治材料研究

目前，國內外對鋰離子電池火災防治材料方面研究的公開報道較少，美國和歐洲是對該方面研究較早的國家，而國內相關科研機構的研究主要集中在鋰電池燃燒特性方面[11]。美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)是最早開展鋰電池火災滅火劑技術研究的機構之一。研究發(fā)現(xiàn)，水基型滅火劑滅火效果最佳，具有良好的降溫性能[12-13]。中國船級社武漢規(guī)范研究所針對船用動力鋰電池，對滅火劑有效性進行了研究，對比分析了干粉、二氧化碳以及七氟丙烷滅火劑對抑制鋰電池火災的效果，實驗發(fā)現(xiàn)，七氟丙烷滅火劑滅火效果最佳且未發(fā)生復燃[14]。此外，李毅等[15]發(fā)現(xiàn)二氧化碳、3%的水成膜泡沫以及ABC干粉均能有效撲滅18650型鈷酸鋰電池火災的明火，但三者均出現(xiàn)復燃現(xiàn)象，且發(fā)生復燃的時間與滅火劑的冷卻能力成正比。張青松等[16]發(fā)現(xiàn)在抑制鋰電池熱失控方面，使用細水霧滅火劑，可以有效撲滅鋰離子電池火災，并且能長時間、持續(xù)性抑制鋰離子電池熱失控。劉昱君等[17]搭建了可用于多種滅火介質的滅火測試平臺，通過實驗得出抑制鋰離子電池火災溫升效果最佳的滅火介質是水，其次是全氟己酮，效果最差的是CO2。吳靜云等[18]梳理不同滅火劑對電池火災的滅火效率，為電化學儲能電站的滅火系統(tǒng)提供選擇。

2.3 鋰離子電池生命周期各階段安全評價研究

鋰離子電池全生命周期包括鋰離子電池的生產、儲存、使用、運輸和回收。在鋰離子電池儲存方面，Mingyi Chen等[19]對兩種商用18650鋰離子電池(LiCoO2和LiFePO4)在不同充電狀態(tài)下的燃燒性能進行測試，對鋰離子電池的熱危害性進行評估，結果表明，隨著燃燒性能增加，熱釋放率和總熱量上升，鋰離子電池起火的直接原因是固體電解質界面分解以及聚合物隔膜收縮，其研究結果可為鋰離子電池的儲存和分配過程中的防火提供科學依據。在鋰離子電池使用和運行方面，陳豪等[20]通過分析溫度、電壓、電流、功率等運行參數(shù)，提出了儲能鋰電池運行狀態(tài)的評估指標，并對指標體系進行了綜合評價。結果表明該指標體系可以有效評估儲能鋰電池老化和故障情況。丁傳記等[21]分析了多種動力鋰電池的性能以及事故發(fā)生機理，設計了適合動力鋰電池的火災預警系統(tǒng)和自動滅火系統(tǒng)，同時還設計了適用于電池箱的快拆結構，實現(xiàn)了對鋰電池箱的快速組裝與拆卸。在鋰離子電池鐵路運輸方面，李霜[22]引入耗散結構理論和熵理論，將“安全熵”作為評價鋰電池鐵路運輸安全狀態(tài)的主要指標，為鋰電池鐵路運輸安全評價方法提供了新的思路和方法。在鋰離子電池航空運輸方面，杜珺等[23-24]對FAA收錄的100多起鋰電池航空運輸事故進行分析，運用三角模糊定量方法，建立鋰電池航空運輸火災事故樹，提出控制措施及管理方法。在鋰電池運輸包裝方面，潘生林等[25]在對鋰電池運輸包裝的安全要求方面，綜合考慮鋰電池火災危險特性及相關法律規(guī)章，提出了鋰電池運輸包裝的設計要素和防護措施。在鋰離子電池回收再利用方面，肖姝宇[26]從鋰電池被使用需求的角度出發(fā)，分析電池內部特征與電池老化的內在關系，綜合考慮電池的容量衰減及功率衰減情況，提出了評價電池老化的新方法，為鋰電池淘汰及回收利用提供科學指導。趙光金等[27]研究了退役動力單體鋰電池的可用性評價方法，通過對退役電池內阻、剩余容量、壽命及隔膜性能等簡單參量的計算，即可實現(xiàn)對退役電池的快速、高效分選。在鋰電池火災危險性綜合評價方面，王文和等[28]選用輻射熱和荷電狀態(tài)為變量，對3種不同品牌的電池進行了燃燒實驗，通過錐形量熱儀對電池的熱釋放參數(shù)、毒性參數(shù)等進行分析，在試驗的基礎上構建了鋰離子電池火災危險性綜合評價指標體系。

3 鋰離子電池火災管控下一步思考

以上學者針對鋰離子電池生命周期的各個階段分別進行了研究，但沒有系統(tǒng)的對鋰離子電池全生命周期的風險管控進行研究。下文將生物免疫機理引入對鋰離子電池火災的風險管控中，將鋰離子電池的安全管理系統(tǒng)比作人體免疫系統(tǒng)，分析生物免疫系統(tǒng)與鋰離子電池安全管理體系的耦合性，為實現(xiàn)鋰離子電池的全生命周期安全管理提供一個新思路。

3.1 生物免疫機理

免疫機理即當生物系統(tǒng)受到外來病毒侵害時，它會激活免疫系統(tǒng)本身，以保證整個生物系統(tǒng)的基本生理功能正常運行。目前，生物免疫機理在安全管理中的應用主要基于事故的預警和應急。

3.2 生物免疫系統(tǒng)與鋰電池安全管理體系的耦合性

將鋰電池的整個生命周期看作是一個生物有機整體，其安全管理系統(tǒng)類似于生物體的免疫系統(tǒng)。有以下相似點：作用對象相似，即兩者的作用對象都是來自系統(tǒng)內部及外部的危險因素；組織構成相似，即兩者都是嚴密的系統(tǒng)，免疫系統(tǒng)是免疫基因、免疫分子、免疫細胞、免疫器官等多種元素構成的系統(tǒng)，而鋰電池安全管理體系是從鋰電池的生產、運輸、使用和回收各個階段都有相對應的管理制度和管理部門，是一個完整的管理系統(tǒng)；功能相似，即兩者都是消滅有害因素，確保所依賴系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。免疫系統(tǒng)的基本功能是消滅各種侵襲機體的抗原，保護機體的健康，鋰電池安全管理體系的基本功能是消除各種危險因素與隱患，避免事故的發(fā)生。

4 結論

關于鋰離子電池火災風險管控的研究，在鋰離子電池模型仿真技術方面，將試驗與仿真技術的結合與運用已成為現(xiàn)階段的研究趨勢，節(jié)能的同時可以提高實驗的準確性，有利于更好的提高電池的安全性；在鋰離子電池火災防治材料方面，未來的研究方向將是采用水基型滅火劑，不斷優(yōu)化細水霧，提高滅火效率，更好的控制火情。在鋰離子電池火災的安全評價方面，涉及到鋰離子電池的生產、使用、運輸、回收等階段，但沒有進行整體的評價，而是將鋰離子電池的生命周期分割成各個階段?？紤]到對鋰離子電池火災風險管控的系統(tǒng)性、全面性，可將鋰電池全生命周期的安全管理系統(tǒng)比作人體免疫系統(tǒng)，將生物免疫機理引入到對鋰離子電池火災風險管控中，以此實現(xiàn)對鋰離子電池全生命周期的火災風險管控。