電動(dòng)汽車鋰離子電池火災(zāi)爆炸成因分析與應(yīng)對(duì)策略

謝克強(qiáng)

摘 要：近年來(lái)，隨著我國(guó)電動(dòng)汽車項(xiàng)目高速發(fā)展，其能量載體動(dòng)力鋰離子電池被廣泛運(yùn)用，然而同時(shí)隨之而來(lái)的是火災(zāi)爆炸事故頻頻發(fā)生，造成了一定的生命財(cái)產(chǎn)損失。鋰離子電池因其具有高能量密度和電解液成分復(fù)雜等多種原因而具有非常大的火災(zāi)危險(xiǎn)性，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋰離子電池的安全研究主要集中于預(yù)防火災(zāi)方面，而在滅火救援中的應(yīng)對(duì)方法研究相對(duì)較少，所以對(duì)電動(dòng)汽車鋰離子電池發(fā)生火災(zāi)爆炸的成因分析和應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行研究具有緊迫的必要性。本文通過(guò)分析電動(dòng)汽車鋰離子電池火災(zāi)爆炸的主要成因和危險(xiǎn)性，提出針對(duì)鋰離子電池火災(zāi)原理、特征和安全風(fēng)險(xiǎn)的滅火救援應(yīng)對(duì)策略，希望能為消防救援隊(duì)伍在撲救電動(dòng)汽車火災(zāi)中的技戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用和作戰(zhàn)安全提供一些建議。

關(guān)鍵詞：消防 鋰離子電池 成因分析 應(yīng)對(duì)策略

Abstract：In recent years， with the rapid development of electric vehicle projects in China， the energy carrier power lithium-ion battery has been widely used. However， at the same time， fire and explosion accidents occur frequently， resulting in a certain loss of life and property. Lithium-ion battery has great fire risk due to its high energy density and complex electrolyte composition. At present， the safety research of lithium-ion battery at home and abroad mainly focuses on fire prevention， while the research on response methods in firefighting and rescue is relatively few. Therefore， it is urgent to analyze the causes of fire and explosion of lithium-ion battery of electric vehicle and study the countermeasures. By analyzing the main causes and risks of lithium-ion battery fire and explosion of electric vehicles， this paper puts forward the fire-fighting and rescue strategies for the principle， characteristics and safety risks of lithium-ion battery fire， hoping to provide some suggestions for the technical and tactical operation and operational safety of fire rescue teams in fighting electric vehicle fire.

Key words：firefighting， lithium-ion battery， cause analysis， countermeasures

1 引言

現(xiàn)代社會(huì)，鋰離子電池的技術(shù)進(jìn)步深刻影響了電子產(chǎn)品的迭代升級(jí)，在近20年的時(shí)間中，電動(dòng)汽車項(xiàng)目也因?yàn)殇囯x子電池技術(shù)的日漸成熟而得到充分發(fā)展。動(dòng)力鋰離子電池已發(fā)展成為純電動(dòng)汽車主要的能源載體，其中磷酸鐵鋰電池（LFP）以其放電穩(wěn)定、熱失控發(fā)展較慢、成本低廉和環(huán)保等特點(diǎn)，成為電動(dòng)客車的主要儲(chǔ)能系統(tǒng);鎳鈷鋁（NCA）、鎳鈷錳（NCM）等三元鋰電池的優(yōu)勢(shì)在于能量及功率密度高、工作電壓高、循環(huán)壽命長(zhǎng)，成為家用電動(dòng)汽車的主要能源載體。

電動(dòng)汽車項(xiàng)目在近年來(lái)成為我國(guó)重點(diǎn)扶持的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，對(duì)我國(guó)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[1]。截止2021年6月，我國(guó)純電動(dòng)汽車保有量493萬(wàn)輛，占汽車總量的1.69%，新能源汽車總量的81.68%，較去年同期增長(zhǎng)高達(dá)234.92%。而與電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展相對(duì)應(yīng)的，是其安全性備受社會(huì)廣泛關(guān)注。2020年5月16日，上海市嘉定區(qū)一臺(tái)蔚來(lái)ES8在停放未充電的情況下中出現(xiàn)冒煙情況，8月20日，福建省三明市一臺(tái)北汽EX360純電動(dòng)小型SUV在充電過(guò)程中發(fā)生爆炸。為加強(qiáng)電動(dòng)汽車的安全性，工信部于2020年5月12日發(fā)布電動(dòng)汽車安全系列強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 18384-2020《電動(dòng)汽車安全要求》并在2021年1月1日起實(shí)施，對(duì)車輛各項(xiàng)安全指標(biāo)進(jìn)行了再次修訂和細(xì)化。但隨著電動(dòng)汽車的社會(huì)保有量日漸增加，其發(fā)生火災(zāi)爆炸的災(zāi)害起數(shù)仍然呈正相關(guān)式增長(zhǎng)，如何破解電動(dòng)汽車火災(zāi)爆炸的救援問(wèn)題需要得到消防救援隊(duì)伍足夠的重視。文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果表明，作為電動(dòng)汽車的核心部件，動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)熱失控是引發(fā)電動(dòng)汽車起火的首要原因[2]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋰離子電池的安全研究主要集中在預(yù)防方面，而對(duì)在滅火救援中的應(yīng)對(duì)方法研究相對(duì)較少，因此對(duì)電動(dòng)汽車鋰離子電池發(fā)生火災(zāi)爆炸的成因分析和應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行研究具有緊迫的必要性。

本文將通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車鋰離子電池發(fā)生火災(zāi)爆炸的主要成因和危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，提出針對(duì)鋰離子電池火災(zāi)原理、特征和安全風(fēng)險(xiǎn)的滅火救援應(yīng)對(duì)策略，希望能夠?yàn)橄谰仍?duì)伍在撲救電動(dòng)汽車火災(zāi)中的技戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用和作戰(zhàn)安全提供一些建議。

2 鋰離子電池工作原理和基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

電動(dòng)車電池簡(jiǎn)稱EVB（Electric-Vehicle Battery），一般用于純電動(dòng)車（BEV）或混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）上，考慮其功率密度及使用壽命，市面上絕大多數(shù)純電動(dòng)汽車使用的都是鋰離子電池組作為動(dòng)力源。鋰離子電池是一種充電電池，采用鋰的化合物作為正極，將石墨作為負(fù)極，該電池基于電化學(xué)的嵌入/脫嵌反應(yīng)，使鋰離子在正負(fù)極間移動(dòng)，從而達(dá)到充放電的目的。鋰離子電池在充放電過(guò)程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài);放電時(shí)則相反。

3 電動(dòng)汽車鋰離子電池火災(zāi)爆炸成因分析

基于現(xiàn)有研究表明，電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池發(fā)生火災(zāi)的主要原因是電池的化學(xué)能釋放，產(chǎn)生大量熱量，使電池出現(xiàn)高溫與高壓，最終表現(xiàn)形式為熱失控和熱失控?cái)U(kuò)展引起的燃燒或爆炸。Q.S Wang[3]等學(xué)者概述了鋰離子電池?zé)崾Э乩碚摗⒒痉磻?yīng)、熱模型、模擬和實(shí)驗(yàn)工作，認(rèn)為鋰離子電池?zé)崾Э厥请娊赓|(zhì)、陽(yáng)極和陰極之間的放熱反應(yīng)引起的，隨溫度和壓力升高，引起鋰離子電池鼓脹、噴射，最終造成火災(zāi)和爆炸。

鋰離子電池發(fā)生熱失控的主要外因一般分為：機(jī)械濫用、電氣濫用、自身缺陷、高溫環(huán)境四類，均會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生不可逆的放熱反應(yīng)，進(jìn)而形成火災(zāi)爆炸事故。

現(xiàn)實(shí)條件下，鋰離子電池在產(chǎn)生大量熱量導(dǎo)致溫度急劇升高一般會(huì)造成兩種情況，一是反應(yīng)產(chǎn)生的熱量達(dá)到可燃物燃點(diǎn)從而產(chǎn)生火災(zāi);二是封閉情況下的鋰離子電池易集聚大量熱量導(dǎo)致體系內(nèi)的溫度過(guò)高，加速電池內(nèi)活性物和電解液的分解和反應(yīng)，生成大量氣體，導(dǎo)致電池內(nèi)壓力過(guò)大，瞬間超過(guò)安全閥泄壓能力，導(dǎo)致噴射火甚至爆炸事故的產(chǎn)生。動(dòng)力鋰電池發(fā)生火災(zāi)往往是一系列的連鎖反應(yīng)，由單個(gè)或單組鋰電池發(fā)生熱失控，并在相對(duì)封閉的條件下發(fā)生熱傳播造成電池組整體性、立體性火災(zāi)。鋰離子電池中同時(shí)含有加壓的環(huán)境下易燃的電解質(zhì)，提高了鋰離子電池發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的風(fēng)險(xiǎn)。

4 動(dòng)力鋰離子電池火災(zāi)爆炸主要危險(xiǎn)性

電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰離子電池火災(zāi)事故主要危險(xiǎn)性呈現(xiàn)為：一是火災(zāi)發(fā)展快、溫度高、蔓延迅速，具有爆炸風(fēng)險(xiǎn);二是燃燒產(chǎn)物成分復(fù)雜，且具有毒性;三是燃燒能量高，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，復(fù)燃可能性較高;四是部分未燃燒電池組可能存在機(jī)械故障等原因沒(méi)有關(guān)閉而處于工作狀態(tài)下，可能使車體帶電。

5 基于動(dòng)力鋰離子電池火災(zāi)爆炸成因和主要危險(xiǎn)性的滅火救援應(yīng)對(duì)策略

5.1 滅火原則和策略選擇

針對(duì)鋰離子火災(zāi)成因的最終表現(xiàn)形式為熱失控和熱失控?cái)U(kuò)展的情況，在滅火過(guò)程中應(yīng)當(dāng)以控制熱失控反應(yīng)作為主要滅火原則，故在實(shí)際滅火過(guò)程中需要特別注意以下措施：

（1）為有效控制火災(zāi)蔓延速度，應(yīng)當(dāng)對(duì)鋰離子電池周邊明火進(jìn)行撲滅，并建議使用細(xì)水霧進(jìn)行滅火以取得最佳效果。

（2）抑制熱失控應(yīng)當(dāng)減緩熱失控反應(yīng)速率，而高溫是其反應(yīng)速率增大的關(guān)鍵因素，因此滅火過(guò)程中應(yīng)當(dāng)向鋰離子電池外部持續(xù)降溫，降低熱失控反應(yīng)速率。

（3）針對(duì)在電動(dòng)汽車滅火過(guò)程中可能出現(xiàn)的有毒物質(zhì)危害和觸電風(fēng)險(xiǎn)，消防指戰(zhàn)員應(yīng)當(dāng)做好呼吸防護(hù)和防觸電措施，通常情況下，所佩戴的滅火或救援手套沒(méi)有絕緣功能，因此要佩戴不低于1級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的滅火防護(hù)裝備。

（4）堅(jiān)持救人第一基本原則。對(duì)無(wú)法實(shí)施斷電操作車輛，且火勢(shì)對(duì)被困人員和救援人員造成威脅時(shí)，應(yīng)視情使用噴霧水或干粉滅火器對(duì)火勢(shì)進(jìn)行壓制，利用絕緣器材迅速開(kāi)展救人行動(dòng)。

（5）明火撲滅后應(yīng)當(dāng)持續(xù)監(jiān)測(cè)一小時(shí)不復(fù)燃后方可移交其他處置部門。

5.2 滅火劑選擇

針對(duì)火災(zāi)成因，在滅火劑的選擇上應(yīng)當(dāng)考慮其必須具有良好的吸熱效果，同時(shí)兼具有易得的特性，目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者、機(jī)構(gòu)和組織對(duì)如何選擇撲救鋰離子火災(zāi)的滅火劑進(jìn)行了詳盡的實(shí)驗(yàn)和分析，其中，德國(guó)機(jī)動(dòng)車監(jiān)督協(xié)會(huì)（DEKRE）模擬實(shí)驗(yàn)表明水可以成功撲救電動(dòng)汽車鋰離子電池火災(zāi);以Model S車型為例，在特斯拉救援手冊(cè)中，官方建議用大量的水撲滅電池火災(zāi)，完全熄滅并冷卻電池火災(zāi)可能需要使用大約3000加侖（11356升）的水（直接澆在電池上）。綜合考量，在處置電動(dòng)汽車火災(zāi)時(shí)，消防救援隊(duì)伍應(yīng)當(dāng)選擇水作為最適宜的滅火劑進(jìn)行撲救，同時(shí)應(yīng)當(dāng)保證供水充足以完全撲滅火災(zāi)。

應(yīng)特別注意泡沫滅火劑不適用撲救鋰離子電池火災(zāi)，由于泡沫會(huì)影響鋰離子電池內(nèi)部熱量的散發(fā)，而且鋰離子電池在熱失控發(fā)生后會(huì)釋放出可燃?xì)怏w和氧氣，因而用窒息、抑制或隔離原理滅火的二氧化碳或者泡沫滅火劑的滅火效果就會(huì)受到影響。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車鋰離子電池行業(yè)大量資料的收集、整理、分析、總結(jié)，從鋰離子電池工作原理和基本結(jié)構(gòu)、火災(zāi)爆炸主要成因和危險(xiǎn)性等方面進(jìn)行分析，提出基于動(dòng)力鋰離子電池火災(zāi)爆炸主要成因和危險(xiǎn)性的滅火救援應(yīng)對(duì)策略，包括個(gè)人防護(hù)選擇、滅火技戰(zhàn)術(shù)選擇、滅火劑選擇、安全管控等方面，對(duì)消防救援隊(duì)伍參與電動(dòng)汽車火災(zāi)爆炸事故撲救具有一定的理論指導(dǎo)作用。

電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展迅速，不斷地有新材料的應(yīng)用及新技術(shù)的產(chǎn)生，本文無(wú)法做到對(duì)該種災(zāi)害情況進(jìn)行完整的實(shí)際分析，很多理論沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。希望能夠持續(xù)加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)的學(xué)習(xí)和積累，對(duì)不同的理念和技術(shù)有更深入地了解。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔勝民.新能源汽車[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2019：1-16.

[2]陳文豐.電動(dòng)汽車火災(zāi)防治技術(shù)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2016.

[3]WANG Q S， PING P， ZHAO X J， et al. Thermal runaway caused fire and explosion of lithium ion battery[J]. Journal of Power Sources，2012，208：210-224.

[4]張磊，張永豐，黃昊，等.熱過(guò)載鋰電池?zé)崾Э靥匦约捌湓缙谔綔y(cè)模式研究[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2018，37（1）：55-58.

[5]張磊.電動(dòng)汽車鋰電池火災(zāi)特性及滅火技術(shù)[J].勞動(dòng)保護(hù)，2019（5）：76-78.