淺析電動汽車鋰離子電池火災(zāi)的特性及處置要點

歐陽春雷

摘? 要：動力鋰離子電池火災(zāi)隨著電動汽車行業(yè)迅猛發(fā)展呈多發(fā)態(tài)勢。相關(guān)人員經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)部動力鋰離子電池?zé)崾Э刈鳛殡妱悠嚮馂?zāi)的根本原因。該文對鋰離子電池?zé)崾Э貦C理、火災(zāi)危險性、滅火技術(shù)等方面的研究狀況進行了歸納和總結(jié)，為進一步開展動力鋰離子電池安全研究和電動汽車火災(zāi)應(yīng)急救援提供參考依據(jù)，進而推動我國社會的快速發(fā)展和不斷進步。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池? 熱失控? 電池滅火? 處置要點

中圖分類號：U469.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）05（b）-0073-03

Abstract： With the rapid development of the electric vehicle industry， power lithium-ion battery fires are frequently occurring. Studies have found that fires in electric vehicles are mostly caused by thermal runaway of its internal power lithium-ion battery. This article summarizes and summarizes the research status of lithium-ion battery thermal runaway mechanism， fire hazard， fire extinguishing technology， etc.， and provides a reference for further research on power lithium-ion battery safety and electric vehicle fire emergency rescue， and then promotes the rapid development and continuous progress of our society.

Key Words： Lithium-ion battery; Thermal runaway; Battery fire extinguishing; Disposal points

近年來，新能源汽車作為節(jié)能環(huán)保政策下節(jié)能環(huán)保汽車的代表，以我國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)為動力，極具發(fā)展前景。但以鋰離子電池作為能源的電動汽車在實際應(yīng)用中存在較大難度與危險。在電動汽車火災(zāi)救援滅火處理中，消防人員中毒、觸電、燒傷危害片頻發(fā)。因而，為降低事故發(fā)生概率，明晰電動汽車鋰離子電池燃燒特性，提高滅火技術(shù)應(yīng)用靈活性已成為當(dāng)前的重要工作。

1? 電動汽車的定義

以電能作為動力源的汽車稱為電動汽車，按動力源可分為純電動汽車、燃料電池電動汽車和混合動力電動汽車。純電動汽車主要由電源系統(tǒng)、驅(qū)動電機系統(tǒng)、整車控制器和輔助系統(tǒng)組成。從工作實踐看，電動汽車火災(zāi)原因中動力電池故障引發(fā)火災(zāi)數(shù)量占比較大。

動力電池是電動汽車的動力源，是能量存儲裝置。動力電池系統(tǒng)主要由電池單體、電池管理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、線束結(jié)構(gòu)件和外殼構(gòu)成，具體見圖1。電動汽車將動力電池作為關(guān)鍵性核心，而鋰離子電池則作為市場目前應(yīng)用最為普遍的電車動力電池[1]。

2? 鋰離子電池起火原因

鋰離子通過正負(fù)極移動幫助鋰離子電池完成充電、放電工作，其屬于當(dāng)前充電電池中性能較高品類[2]。而鋰離子電池與“鋰電池”存在較大區(qū)別，“鋰電池”所將二氧化錳、亞硫酰氯作為正極材料，負(fù)極以鋰配平，不需充電即儲有電能作為電池組裝完成后的特點，因電池內(nèi)部短路多是由于充放電循環(huán)所形成的鋰結(jié)晶形成的，通常情況下鋰離子電池禁止充電，所以并不能將鋰離子電池與“鋰電池”相提并論。

循環(huán)性能好、無記憶效應(yīng)、比能量高作為鋰離子電池的特點性優(yōu)勢，在智能電網(wǎng)儲能、新能源汽車動力系統(tǒng)中受到重點關(guān)注。但就鋰離子電池當(dāng)前實際情況而言并未達到本質(zhì)安全要求。從結(jié)構(gòu)上分析鋰離子電池，大量能力被存儲與密閉空間中極具危險性。因為電池一旦處于短路、過熱、擠壓等條件下，無疑濫用鋰離子優(yōu)勢，在特點情況下受熱能影響引發(fā)電解液與電極產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，出現(xiàn)熱失控問題，進而引發(fā)大規(guī)?；馂?zāi)事故。

2.1 熱失控發(fā)生機制

動力鋰離子電池充、放電循環(huán)作為電動汽車使用過程，其在運動中會在內(nèi)部產(chǎn)生極為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。而負(fù)極表面SEI膜具有熱穩(wěn)定特定，受溫度限定影響達到臨界點會發(fā)生熱分解現(xiàn)象。而負(fù)極裸露多是因SEI 膜造成的，其裸露面與電解液直接接觸所產(chǎn)生的還原反應(yīng)不僅劇烈還伴隨可燃?xì)怏w與熱大量釋放。

當(dāng)電芯溫度達到190 ℃左右時多是由于SEI膜分解釋放的熱造成的，而這也是正極分解的主要原因。原子態(tài)氧在正極分解中被快速釋放，高活性的院子態(tài)氧是導(dǎo)致電解液直接劇烈氧化分解的根源，進而導(dǎo)致電芯在短時間內(nèi)積聚大量的熱。

潛在熱副反應(yīng)是指在溫度或充電電壓過高時因熱量積聚使得電芯溫度與壓力快速上升，進而發(fā)生熱失控。正極熱分解量大于負(fù)極，而電芯熱穩(wěn)定性受不同正極材料影響，所展現(xiàn)的情況存在較大差異。其中，磷酸鐵鋰在300 ℃左右基本不會出現(xiàn)分解狀態(tài)，而三元材料與其相比則以較低的電芯熱即可分解。高鎳三元正極隨著鎳含量的增加熱分解溫度愈來愈低的同時加熱量逐漸變大，即在110 ℃～130 ℃之間就會發(fā)生熱分解現(xiàn)象。

化學(xué)反應(yīng)所釋放的熱量多因動力鋰離子電池散熱性能未達標(biāo)而知識溫度驟升，促使化學(xué)反映速率不斷增大，破事系統(tǒng)自動加溫引發(fā)熱失控。除此之外，泄壓閥作為電芯基礎(chǔ)裝配輔助動力鋰離子電池防爆閥，電池壓力一旦達到7 Pa左右時則會進行泄壓。電解液在泄壓過程中閃電很低，所噴出的電解液整齊與防爆閥產(chǎn)生摩擦致使動力鋰離子電池燃燒。因此，動力鋰離子電池具有的特點是迅速燃燒，而并非劇烈爆炸。

2.2 內(nèi)部短路

由于電池的濫用，如掉落、擠壓、撞擊、過充過放導(dǎo)致內(nèi)部的枝晶與電池生產(chǎn)過程中的雜質(zhì)灰塵等，將惡化生成刺穿隔膜，產(chǎn)生微短路，電能量的釋放導(dǎo)致溫升，溫升帶來的材料化學(xué)反應(yīng)又?jǐn)U大了短路路徑，形成了更大的短路電流，這種互相累積、互相增強的破壞，導(dǎo)致熱失控[3]。

2.3 外部短路及高溫

外部短路因在人為操作不當(dāng)而產(chǎn)生，由于外部短路造成電池放電電流過大，易使電芯發(fā)熱，而高溫則會使電芯內(nèi)部的隔膜損壞，造成內(nèi)部短路，因而燃燒爆炸。由于鋰離子電池結(jié)構(gòu)的特性，在遇高溫情況下內(nèi)部構(gòu)造、電解液會發(fā)生反應(yīng)，并造成一連串化學(xué)反應(yīng)，多種反應(yīng)導(dǎo)致大量熱量產(chǎn)生。隔膜融化進而導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，眾多能量的釋放又增加電池內(nèi)部熱量產(chǎn)生。這一連串的作用，最終導(dǎo)致防爆膜破裂，電解液噴出，從而起火燃燒。

2.4 鋰離子電池的燃燒特性

鋰離子電池的燃燒特性與眾不同，其中燃燒激烈、熱蔓延迅速、活潑金屬與水發(fā)生猛烈反應(yīng)生成產(chǎn)物作為基礎(chǔ)特性，在燃燒加劇的條件下火勢迅速蔓延。而在劇烈燃燒后所產(chǎn)生的煙塵與毒性極具危險性，致使鋰離子電池在燃燒會釋放大量有毒有害氣體、粉塵顆粒，嚴(yán)重危害人體。不僅如此，難以控制的火勢極易引發(fā)爆炸，撲滅復(fù)燃可能性極大，撲救難度校大。而因鋰離子電池引發(fā)的火災(zāi)應(yīng)用常規(guī)物理方式僅能撲滅，無法通過關(guān)隔絕氧氣與切斷燃燒鏈的形式達到預(yù)期目標(biāo)，而未能有效抑制火災(zāi)所引發(fā)的復(fù)燃問題。因而，鋰離子電池引發(fā)的火災(zāi)滅火的難度遠(yuǎn)高于其他火災(zāi)性。

3? 鋰離子電池火災(zāi)事故處置要點

我國制定《電動汽車鋰離子電池箱火災(zāi)防控裝置性能要求和測試方法》以應(yīng)對鋰電池火災(zāi)情況。對于鋰離子電池箱火災(zāi)防控裝置在外觀與標(biāo)志、故障報警、啟動反饋、滅火性能予以明確規(guī)定，為后續(xù)防火措施的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。而滅火時間、箱內(nèi)溫度與壓力變化等可控因素應(yīng)當(dāng)重點考慮以應(yīng)對突發(fā)狀況，采取有效措施快速處理明火問題，提高鋰離子電池滅火效率[4]。

3.1 斷電

斷電操作作為鋰離子電池電動車發(fā)生火災(zāi)時第一要務(wù)，目的在于為后續(xù)滅火救援預(yù)留時間。防觸電、防煙霧作為消防救援時的重要工作，車輛熄火是內(nèi)部電壓接受外界信號而應(yīng)用自動斷電功能進行切斷，但少數(shù)情況下會發(fā)生意外狀況，使得高壓供電線路未能及時切斷。因而，在消防救援工作中不要與鋰離子電池高壓組件發(fā)生直接碰觸，避免因防護不到位而出現(xiàn)擊穿狀況。及時測點電壓作為有效應(yīng)對方式之一，如果符合滅火標(biāo)準(zhǔn)首先采用水源滅火。而采取相關(guān)保護措施的目的則是以保護車內(nèi)人員安全，在符合接觸水源條件下采用專業(yè)滅火措施。

3.2 適當(dāng)?shù)难b備

消防車輛到達現(xiàn)場時，停車位置應(yīng)當(dāng)依據(jù)現(xiàn)場實際情況進行恰當(dāng)選擇，嚴(yán)禁?？吭诼坊绍?、薄弱地帶，并時刻與起火點保持一定距離。車頭朝向撤離方向。搶救過程中，消防人員待命區(qū)域的選擇也是一大課題，需選擇相對高處且上風(fēng)處，避免有毒救災(zāi)廢水與有毒氣體危害待命人員。

由于鋰離子電池燃燒甚至爆炸，過程中會產(chǎn)生對于人體有腐蝕性及有毒性等危害氣體，危害到第一線消防人員的皮膚或呼吸道等粘膜組織，另外也有可能有觸電的風(fēng)險，所以全套PPE包括消防帽、面罩、空氣呼吸器、頭套、全棉防靜電內(nèi)衣、滅火防護服、手套、消防鞋等，這些都是必要的戰(zhàn)斗裝備。穿戴電絕緣服、絕緣靴、絕緣手套作為消防救援人員進入帶電作戰(zhàn)區(qū)域時的必要防護裝備，還需攜帶漏電探測儀等基礎(chǔ)器材。危險發(fā)生前必須先與鋰離子電池保持適當(dāng)?shù)陌踩嚯x，評估現(xiàn)場環(huán)境才能防止不必要的傷害[5]。

3.3 適當(dāng)?shù)耐L(fēng)環(huán)境

鋰離子電池火災(zāi)通常會產(chǎn)生大量擁有可燃性、腐蝕性與毒性之危害氣體，在適當(dāng)?shù)臈l件下易引起燃燒甚至爆炸。若救災(zāi)環(huán)境允許的話，盡量建立有效通風(fēng)，使救災(zāi)環(huán)境能排除危害氣體，以降低危害因子，減少消防人員的危害風(fēng)險;如果在密閉環(huán)境下，在建立任何開口時應(yīng)特別注意，因電池內(nèi)部環(huán)境已長時間悶燒，建立開口容易造成大量氧氣的竄入，使其建立完整的燃燒三要素（可燃物、助燃物、熱能）從而引發(fā)現(xiàn)場快速燃燒或爆燃。

3.4 足夠的水源供救災(zāi)使用

如果到達現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)是鋰離子電池火災(zāi)時，應(yīng)考慮現(xiàn)場水源是否能有效滅火。因為鋰離子電池火災(zāi)若僅撲滅其表面火焰，是無法完整中斷其化學(xué)反應(yīng)，電池內(nèi)部通常還會有極高的溫度，且鋰離子電池特殊的熱失控現(xiàn)象，會持續(xù)發(fā)生且容易產(chǎn)生再度復(fù)燃現(xiàn)象。為此，必須使用大量的水持續(xù)降溫，直至鋰離子電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)結(jié)束，才可避免造成再次復(fù)燃的可能。消防人員執(zhí)行鋰離子電池火災(zāi)的滅火攻擊時，可由熱顯像儀來監(jiān)測溫度，以確保鋰離子電池溫度降至安全范圍，避免只撲滅表面火焰，而誤以為滅火完成而造成電池復(fù)燃現(xiàn)象。最后，要長時間的靜置觀察電池溫度有無升高、復(fù)燃[6]。

4? 結(jié)語

電動汽車領(lǐng)域隨著鋰離子電池應(yīng)用范圍的不斷擴展并將其廣泛應(yīng)用于行業(yè)發(fā)展中，而逐漸增多的鋰離子火災(zāi)事故時的火災(zāi)危險的基礎(chǔ)性研究在現(xiàn)階段圍繞其展開。與此同時，對有毒氣體、觸電與爆炸作為火災(zāi)中應(yīng)當(dāng)重視的基礎(chǔ)性問題進行分析與研究，采取科學(xué)的滅火措施與有效技術(shù)，解決電動汽車鋰電池火災(zāi)隱患，進而推動電動汽車實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

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