電動汽車動力鋰電池火災危險性分析

王式民，劉 暢，楊濤濤

（棗莊科技職業(yè)學院，山東棗莊 277599）

0 引言

在我國貫徹落實新能源汽車戰(zhàn)略的環(huán)境背景下，電動汽車行業(yè)已經(jīng)成為國家重點進行扶持的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，在能源機構改革方面、環(huán)境保護方面具有重要意義，但是近幾年來電動汽車在實際應用中經(jīng)常出現(xiàn)火災事故問題，容易引發(fā)生命財產(chǎn)安全隱患，使人們對電動汽車使用的安全性產(chǎn)生質(zhì)疑，甚至加大了人們對其安全隱患的憂慮，使電動汽車的推廣受到一定影響。因此，未來應重點關注電動汽車動力鋰電池應用的安全性，嚴格分析火災危險性特點與規(guī)律準確的進行處理，從根源上預防安全隱患問題所來的影響。

1 電動汽車動力鋰電池火災危險性分析

1.1 熱失控風險分析

實際上，動力鋰電池出現(xiàn)火災事故風險問題的原因就是電池釋放出化學能之后會有熱失控的現(xiàn)象、熱失控擴展的現(xiàn)象，最終引燃或者爆炸事故。從鋰離子電池的熱失控理論情況、反應特點、熱模型情況、模擬情況和實驗操作情況來講，熱失控主要就是電解質(zhì)陽極與陰極相互之間出現(xiàn)了放熱反應，導致溫度有所提升，壓力有所增加，使得鋰電池出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象、噴射現(xiàn)象甚至還會有火災事故、爆炸事故。使用化學熱力學技術措施、能源釋放技術措施，評價電解質(zhì)情況，通過測試掃描量熱儀設備開展測試活動，可以明確發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池在應用期間具有較高程度的機械刺激敏感性、爆炸威力很高，在充電放電期間，熱慣量可能會導致整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響，并且大功率的充電也可能會使得電池的耐用性降低、安全性受到不利的危害，主要原因就是在發(fā)熱量不斷提升、電池容量衰減的情況下，電極鍍層也會呈現(xiàn)出衰減的態(tài)勢，會引發(fā)動力鋰離子電池出現(xiàn)熱失控的現(xiàn)象。另外，電池應用期間具體的穩(wěn)定性會在剩余容量增多的情況下降低，最終可能會引發(fā)熱失控傳播，出現(xiàn)嚴重的多米諾效應，導致整體電池的使用安全性降低。

在高攝入熱的通量環(huán)境下，鋰電池通常會出現(xiàn)猛烈燃燒的現(xiàn)象，放熱速率峰值、還有其中的總熱量，也會在高熱量攝熱增多的情況下增大，導致最終的起火放熱速率峰值時間降低，總熱量會不斷增多。鋰電池的燃燒情況大致分為起火階段、穩(wěn)定燃燒階段和熄滅階段，也可能會有冒煙噴射的現(xiàn)象，甚至會有爆炸燃燒、噴射火的情況，在熱功率逐漸增多的同時，燃燒時間也會有所減少，但是實際上燃燒特性不會受到電壓的影響。另外，在應用過程中，當鋰電池的表面溫度超出150 ℃時熱失控風險發(fā)生率會升高。

目前在動力鋰電池應用期間出現(xiàn)火災事故的，通常為單個或是單組鋰電池出現(xiàn)熱失控的現(xiàn)象，在較為封閉的環(huán)境中，熱傳播速度加快，使得電池整體的安全性降低、一些專家開始將鋰離子電池模組、火災實驗模型當做是主要的研究方向，創(chuàng)建火災實驗模型，對熱失控之后的熱傳播特點進行研究，發(fā)現(xiàn)在封閉空間環(huán)境中，沒有充足的散熱條件，電池模組就會出現(xiàn)熱量不斷提升的現(xiàn)象，發(fā)生故障問題，最終引發(fā)活性電池爆炸，產(chǎn)生連鎖性的反應。如果不能合理、嚴格地進行控制和預防，將會在出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象之后引發(fā)嚴重后果，不僅不能確保動力鋰電池的良好運用、安全使用，而且還會造成不良的影響、不利的危害，不符合當前的發(fā)展特點。

1.2 火災危險性的特點分析

電動汽車動力鋰電池發(fā)生火災事故的特點較為明顯，一方面，火勢蔓延的速度非?？欤紵^程中的溫度很高，另一方面，存在很多潛在性的風險問題，例如：中毒風險、爆炸風險，另外燃燒的持續(xù)性時間很長，還有二次燃燒的可能性。據(jù)調(diào)查單個鋰電池很有可能會釋放很大的熱量，熱量的強度很高，還有可能會釋放毒氣體如二氧化碳、一氧化碳等，在電池電解質(zhì)分解的過程中還有可能產(chǎn)生甲烷氣體，而甲烷會和氧氣出現(xiàn)完全燃燒或者不完全燃燒反應，最終生成一氧化碳和二氧化碳氣體，這也表明鋰電池火災事故具有一定的危險性。鋰電池燃燒情況很容易受到SoC（System on Chip，系統(tǒng)級芯片）數(shù)據(jù)值的影響，在數(shù)據(jù)值較低的情況下，鋰電池在火災過程中熱釋放率就會增多、有毒氣體排放量增加、電池本身的溫度也會大幅上升，甚至還會釋放出有毒氣體氫氟酸，尤其是在SoC 數(shù)據(jù)值為0%的情況下，所產(chǎn)生的一氧化碳氣體非常高，煙氣的毒性也很強。在SoC 數(shù)據(jù)值為50%的情況下，所生成的煙氣量最高，但一氧化碳的含量卻有所減少。除此之外，在應用過程中動力鋰電池還可能會受到一些因素的影響出現(xiàn)火災危害的問題，如燃燒過程中釋放的有毒氣體、煙氣等，會危害人們的身體健康乃至于生命安全。

2 電動汽車動力鋰電池火災危險的防控措施

2.1 預防措施

為最大限度預防電動汽車鋰電池出現(xiàn)火災風險隱患，未來應采取合理的研發(fā)預防措施，在科學預防的情況下規(guī)避安全隱患，尤其需要大力進行具有阻燃特點的電解液研究，開發(fā)研制耐高溫性能、耐高壓性能的隔膜材料，并且在實際研究中重點開發(fā)溫度范圍很寬、安全性較為良好的固態(tài)鋰電池，創(chuàng)建熱失控火災實驗模型，完善鋰電池的火災危險性評估體系，在生產(chǎn)過程中進行針對性評估，及時了解風險隱患問題并合理處置。在具體工作中，還需增強火災防控的性能，建設初期火災預警系統(tǒng)、防控系統(tǒng)，合理選用先進的滅火器材料，改善滅火技術。

（1）在實際研究過程中應盡可能地增加科研經(jīng)費費用，合理進行新型材料的研究，盡量增加電池的能量密度，從根本上提升安全性，積極借鑒國內(nèi)外先進的技術，保證鋰電池的使用安全。

（2）應階段性的進行熱失控、引發(fā)燃燒試驗活動，歸納匯總溫度數(shù)據(jù)值、火焰數(shù)據(jù)值、噴射距離數(shù)據(jù)值、釋放可燃數(shù)據(jù)值、釋放有毒有害氣體數(shù)據(jù)職等，便于研發(fā)出可行性的預防風險方案。

（3）借助先進的仿真模擬軟件系統(tǒng)，對電池熱失控所引發(fā)的整體電動汽車火災的熱釋放速率情況、熱傳播途徑情況、燃燒途徑情況等進行模擬，明確具體演變規(guī)律，便于篩選針對性的預防措施，同時還要結合火災模型實驗的具體情況，為電動汽車鋰電池創(chuàng)建完善的安全技術標準要求，在生產(chǎn)期間結合基礎標準執(zhí)行工作，使其可以滿足火災安全的基本要求。

（4）創(chuàng)建初級性的火災預警指標系統(tǒng)，對初期發(fā)生火災的情況進行研究，在預警系統(tǒng)的幫助下，可以初期發(fā)出警報信息，并且利用干粉滅火方式、氣體滅火方式等，預防發(fā)生更為嚴重的火災事故。

需要注意的是，在預防過程中應提出不同的防控措施、仿真模擬的措施等，以增強預防的準確度、有效性，杜絕發(fā)生安全隱患。

2.2 控制措施

在使用期間，如果電動汽車的鋰電池出現(xiàn)火災危險事故，就要盡快進行滅火，預防出現(xiàn)火勢蔓延的現(xiàn)象，盡可能提早了解到熱失控的征兆與情況，然后進行熱失控控制后，阻止初期火災。在此過程中，首先應該積極創(chuàng)建撲救動力鋰電池初級火災的防控裝置設備，結合鋰電子電池熱失控的整個流程情況、溫度變化特點等，設置50 ℃、70 ℃、80 ℃三個等級的預警系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)性能的情況下可以提前預測火災風險問題、提前做出預警，便于消除火災。也可以運用空氣冷卻技術、液體和熱管冷卻技術對電池進行熱管理，在熱傳播或熱失控的情況下消除最初的火災安全隱患。

另外，還需研究開發(fā)發(fā)生火災過程中的撲救技術與機械設備，提高撲救的成功率，以免發(fā)生火災蔓延問題、火災事故嚴重性問題。為增強動力鋰電池的火災危險性控制效果，應健全相應的管理機制，重點根據(jù)動力鋰電池的火災危險性特點、應用的危險性情況等，科學化的運用控制措施和控制手段進行處理，尤其是要事前設定相應的火災危險性預警機制，在動力鋰電池運行過程中如果有火災的危險性因素、風險元素，就要及時做出風險預警和危險警告，使電動汽車使用者可以快速了解危險信息，自主解決問題或到維修店進行處理，這樣不僅能降低火災危險事故的發(fā)生率，還能提高動力鋰電池使用的安全水平。

需要注意的是，應向電動汽車使用者宣傳相關的火災危險性控制信息、防控知識，使其在使用期間能自覺預防、控制動力鋰電池的火災隱患，保證應用的安全性能。

3 結束語

綜上所述，電動汽車動力鋰電池可能會因為熱失控或其他風險隱患引發(fā)火災危險，出現(xiàn)火災危險事故之后會釋放出有毒氣體、有害氣體，對周圍環(huán)境和設備的安全性造成不利影響。因此，在其使用過程中，應該重點考慮如何預防控制火災危險性隱患，在設備生產(chǎn)環(huán)節(jié)、研發(fā)環(huán)節(jié)應研究開發(fā)先進的技術措施，在先進技術的幫助下有效預防風險隱患，并且通過先進的預警系統(tǒng)、火災撲救系統(tǒng)等，在發(fā)生火災風險時維護設備安全性，從根本層面入手規(guī)避安全隱患風險或其他問題。