新型動(dòng)力船舶鋰電池火災(zāi)爆炸預(yù)防策略

摘要：隨著對(duì)環(huán)保和能源效率要求的提高，船舶行業(yè)積極探索新型動(dòng)力解決方案，如動(dòng)力電池等。鋰電池作為動(dòng)力船舶的主要能源，因高能量密度和長(zhǎng)壽命特性而受到廣泛應(yīng)用。然而，鋰電池火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)船舶及人員安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，針對(duì)新型動(dòng)力船舶鋰電池火災(zāi)爆炸的危害，分析其原因并提出了相應(yīng)的預(yù)防策略，如選用穩(wěn)定性更高的鋰電池和采用更安全的材料和更合理的結(jié)構(gòu)，建立嚴(yán)格的操作規(guī)程和配備高效的電池管理系統(tǒng)等。希望有助于降低鋰電池火災(zāi)與爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，確保船舶和人員的安全。

關(guān)鍵詞：新型動(dòng)力船舶；鋰電池；火災(zāi)爆炸

中圖分類(lèi)號(hào)：X928.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-1227（2024）06-0085-03

當(dāng)前，船舶行業(yè)正在積極探索新型動(dòng)力解決方案，廣泛利用新型能源技術(shù)，如風(fēng)能、太陽(yáng)能、動(dòng)力電池等，以實(shí)現(xiàn)多元化的動(dòng)力供應(yīng)。這些新技術(shù)的應(yīng)用使得船舶的動(dòng)力系統(tǒng)更加靈活多樣，同時(shí)也提高了船舶的能源利用效率。

動(dòng)力電池主要有鉛酸電池、鋅銀電池、鎳氫電池、鋰離子電池和燃料電池等幾種類(lèi)型。鋅銀電池由于用銀量多、價(jià)格貴、壽命短，沒(méi)有大量推廣應(yīng)用；鎳氫電池在中國(guó)近十年來(lái)也投入大量人力物力開(kāi)發(fā)，但距實(shí)用化的動(dòng)力應(yīng)用還有一定距離。目前主流動(dòng)力電池主要是鉛酸、鋰離子和燃料電池[1]。其中鋰離子電池以其高能量密度和環(huán)保特性成為主流選擇，成為眾多設(shè)備和車(chē)輛的首選動(dòng)力源。然而鋰電池也存在火災(zāi)和爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，這些風(fēng)險(xiǎn)可能由過(guò)熱、短路或機(jī)械損傷引起，嚴(yán)重威脅船舶安全和船員健康。因此，必須對(duì)船用鋰電池系統(tǒng)實(shí)施嚴(yán)格的安全管理，包括規(guī)范操作程序、定期檢查與維護(hù)，以及制訂和演練應(yīng)急預(yù)案，以最大限度降低鋰電池火災(zāi)與爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，確保船舶和船員的安全。

1 上海市已開(kāi)展的內(nèi)河新能源動(dòng)力船舶應(yīng)用

上海市新能源動(dòng)力船舶已經(jīng)在游覽船、輪渡、運(yùn)輸船和公務(wù)船等各類(lèi)船型廣泛開(kāi)展應(yīng)用。游覽船方面，上?！耙唤缓印彼蜷_(kāi)展應(yīng)用有久事旅游集團(tuán)運(yùn)營(yíng)的純電動(dòng)“上海久事”號(hào)和蘇州河9m純電動(dòng)游船6艘、15m純電動(dòng)游船6艘。輪渡方面，典型應(yīng)用代表為上?？洼嗊\(yùn)營(yíng)的車(chē)客渡船“新生態(tài)”輪。公務(wù)船方面，典型應(yīng)用有上海水務(wù)局運(yùn)營(yíng)的內(nèi)河新能源公務(wù)巡邏船“青浦水務(wù)”3號(hào)、國(guó)網(wǎng)上海新能源船舶“浦龍”號(hào)護(hù)纜船，見(jiàn)表1。

2 新型動(dòng)力船舶鋰電池火災(zāi)爆炸的原因分析

2.1 電化學(xué)不穩(wěn)定性及內(nèi)部短路

在充電和放電過(guò)程中，鋰離子在正負(fù)極之間通過(guò)電解質(zhì)和隔膜移動(dòng)。然而，由于一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)和物理變化，鋰電池可能表現(xiàn)出電化學(xué)不穩(wěn)定性，從而增加內(nèi)部短路的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

一是電解液分解。在充放電過(guò)程中，電解液的溶劑和鹽類(lèi)可能分解，產(chǎn)生氣體或高能化合物，這會(huì)改變電解液的成分，形成固體沉淀或氣泡，增加電池內(nèi)部壓力與不穩(wěn)定性。例如在充電時(shí)，碳酸酯類(lèi)溶劑和六氟磷酸鋰等鋰鹽分解，產(chǎn)生氟化物離子和五氟化磷氣體，這些氣體不僅改變電解液成分，還可能導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力增加，引起膨脹、損壞或破裂，增加安全隱患。

二是活性物質(zhì)脫落。鋰離子電池的正負(fù)極活性物質(zhì)在充放電循環(huán)中可能脫落或結(jié)構(gòu)破壞。例如，鈷酸鋰等正極材料在充放電中體積變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，可能引發(fā)顆粒脫落或結(jié)構(gòu)破壞，這些脫落顆?？赡芏逊e或形成導(dǎo)電通路，導(dǎo)致正負(fù)極間短路。負(fù)極的碳或石墨材料也可能因結(jié)構(gòu)破壞而脫落，同樣引起內(nèi)部問(wèn)題。

三是鋰枝晶形成。充電過(guò)程中可能在負(fù)極表面形成鋰枝晶，這些不規(guī)則沉積的鋰金屬可能穿透隔膜，直接引發(fā)正負(fù)極間的內(nèi)部短路。這種短路可能導(dǎo)致電池過(guò)熱，電解液分解生成氣體，增加內(nèi)部壓力，甚至可能引發(fā)爆炸或火災(zāi)[3]。

2.2 鋰電池設(shè)計(jì)和制造缺陷

設(shè)計(jì)和制造中的缺陷是引發(fā)火災(zāi)和爆炸的重要原因之一。不適當(dāng)?shù)碾姵卦O(shè)計(jì)，如選擇不當(dāng)?shù)母裟げ牧稀㈦姌O材料配比錯(cuò)誤或裝配質(zhì)量低下，都可能導(dǎo)致電池性能不穩(wěn)定。此外，不嚴(yán)格的質(zhì)量控制也可能使生產(chǎn)的電池存在安全隱患。

一是隔膜材料選擇不當(dāng)。隔膜用于鋰離子電池中隔離正負(fù)極，防止短路。不適合的隔膜材料選擇可能影響其隔離性能，增加內(nèi)部短路的風(fēng)險(xiǎn)。例如，使用低質(zhì)量或不適合的聚合物材料可能在高溫下導(dǎo)致隔膜失效，使正負(fù)極直接接觸，引發(fā)內(nèi)部短路。

二是電極材料配比不正確。電極中活性物質(zhì)的不正確配比可能導(dǎo)致電極容量不均或循環(huán)壽命下降。如正極中鈷、鎳、錳比例不當(dāng)，可能在充放電過(guò)程中產(chǎn)生不穩(wěn)定極化，增加熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

三是裝配質(zhì)量問(wèn)題。電池裝配時(shí)，如果電極疊放不均或存在空隙，可能導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力不均，加劇熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。電極與隔膜之間的松動(dòng)或不良接觸也可能引起內(nèi)部短路。

四是質(zhì)量控制不嚴(yán)。不嚴(yán)格的質(zhì)量控制可能導(dǎo)致電池存在多種缺陷，例如，電解液中雜質(zhì)過(guò)多可能使電解液不穩(wěn)定，甚至觸發(fā)化學(xué)反應(yīng)；電極材料制備時(shí)的不當(dāng)控制可能導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)不均，增加熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。

3 預(yù)防策略

電池系統(tǒng)作為船舶的主要?jiǎng)恿?lái)源，其火災(zāi)不僅會(huì)導(dǎo)致船只動(dòng)力喪失，增加船舶自救的復(fù)雜性，還可能造成航道阻塞，引發(fā)更多的次生災(zāi)害。因此，確保電池系統(tǒng)的絕對(duì)安全是降低這些風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵，需要通過(guò)嚴(yán)格的風(fēng)險(xiǎn)控制和安全管理措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 技術(shù)層面

3.1.1 選用穩(wěn)定性更高的鋰電池

市場(chǎng)上常見(jiàn)的鋰電池類(lèi)型及其特性對(duì)比見(jiàn)表2。在船用電池領(lǐng)域，鈷酸鋰電池由于抗過(guò)充能力較弱、安全性較低，以及鈷的放射性和稀缺性，存在多種問(wèn)題。三元電池雖能量密度較高，但其安全性和成本問(wèn)題限制了在國(guó)內(nèi)的廣泛應(yīng)用。相對(duì)而言，錳酸鋰電池雖容量較低，在高溫環(huán)境下易溶解和衰退，其安全性和穩(wěn)定性不如磷酸鐵鋰電池。鈦酸鋰電池雖具有平臺(tái)電壓低、功率密度低、高溫下易膨脹及成本高等缺點(diǎn)，其應(yīng)用于船用電池領(lǐng)域受限。因此，磷酸鐵鋰電池因其高安全性、較低成本及較高的能量密度，應(yīng)被視為主流選擇。

3.1.2 采用更安全的材料和結(jié)構(gòu)

為了提高船用電池的安全性并減少火災(zāi)及爆炸風(fēng)險(xiǎn)，研發(fā)改進(jìn)電解質(zhì)和隔膜材料是關(guān)鍵。固態(tài)電解質(zhì)因其耐用性和安全性被視為有前景的解決方案，能有效減少熱失控和電解液泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。此外，改性液態(tài)電解質(zhì)中加入阻燃劑，如磷酸鹽和氟化物，可以降低其易燃性，然而，含磷阻燃劑在還原條件下易分解，并對(duì)鋰金屬有較高的反應(yīng)活性，可能導(dǎo)致固體電解質(zhì)界面（SEI）不穩(wěn)定，影響電池性能。因此，添加能與鋰金屬形成穩(wěn)定SEI的成分，如磷酸三甲酯（TMP）、磷酸三乙酯（TEP）和磷酸三苯酯（TPP），可以有效保護(hù)鋰負(fù)極。同時(shí)，引入耐高溫的阻燃隔膜，如基于BPPO的隔膜，通過(guò)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)增強(qiáng)熱穩(wěn)定性并在高溫下釋放溴自由基，能有效阻斷火災(zāi)觸發(fā)的自由基鏈反應(yīng)，并且在200℃的極端溫度條件下，該隔膜仍能維持形狀和功能不變。

3.2 操作層面

3.2.1 建立操作規(guī)程與日常維護(hù)

在操作層面，建立嚴(yán)格的操作規(guī)程至關(guān)重要。這包括制定詳細(xì)的充電和放電管理步驟及標(biāo)準(zhǔn)，并明確操作人員在電池系統(tǒng)操作中應(yīng)遵循的具體程序，以及在充電和放電過(guò)程中應(yīng)注意的安全措施。同時(shí)，規(guī)定充電和放電的時(shí)間、溫度和電流參數(shù)，確保操作的準(zhǔn)確性和安全性[4]。

此外，定期進(jìn)行電池檢查和維護(hù)是確保電池系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。這包括定期進(jìn)行電池外觀檢查、電壓和溫度監(jiān)測(cè)，以及清潔和維護(hù)電池及其周?chē)h(huán)境。建立詳盡的記錄和報(bào)告制度，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在問(wèn)題，保障電池系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3.2.2 配備電池管理系統(tǒng)（BMS）

需配備高效的電池管理系統(tǒng)（BMS），系統(tǒng)應(yīng)采用三級(jí)架構(gòu)，逐級(jí)監(jiān)控，包括“電池包從控BMS、從控高壓盒、主控高壓盒”，確保每組電池包的獨(dú)立性，即使單電池包出現(xiàn)故障也不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)。多功能監(jiān)控和三級(jí)預(yù)警保護(hù)包括“一級(jí)預(yù)警、二級(jí)告警、三級(jí)保護(hù)”，涵蓋電池單體電壓、溫度、電流回路、環(huán)境溫度和電池系統(tǒng)絕緣電阻的測(cè)量；對(duì)電池充放電及其設(shè)備的控制；對(duì)電池單體和模塊間的均衡控制；以及過(guò)流、過(guò)充過(guò)放、高溫、自檢功能故障的保護(hù)和控制。此外，系統(tǒng)可對(duì)電池故障風(fēng)險(xiǎn)、低電量、充電不匹配等進(jìn)行預(yù)警和報(bào)警，達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)自動(dòng)切斷保護(hù)。

3.2.3 防火與滅火

為防火滅火，需在船用鋰電池包內(nèi)置單元采集模塊進(jìn)行電芯溫度和電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控。采集模塊分為一、二、三級(jí)報(bào)警，并在達(dá)到三級(jí)報(bào)警時(shí)自動(dòng)切斷充放電回路，傳遞相關(guān)信號(hào)到監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。電池包箱體設(shè)計(jì)應(yīng)考慮防氧化和耐高溫性能，為其配備通風(fēng)格柵或防爆措施，以利于通風(fēng)散熱及滅火。電池包消防系統(tǒng)應(yīng)依托于電池艙的整體消防系統(tǒng)。

合理選用滅火材料是控制火情的關(guān)鍵，與常規(guī)船舶使用二氧化碳作為固定滅火系統(tǒng)介質(zhì)所不同的是，在電動(dòng)船舶則需要使用七氟丙烷作為固定滅火系統(tǒng)的滅火介質(zhì)。七氟丙烷作為一種高效、環(huán)保、無(wú)味、低毒的滅火劑，可以提高鋰離子電池?zé)崾Э氐某跏挤艧釡囟?，縮短起始放熱時(shí)間，提高鋰電池的相對(duì)安全性[5]。

3.3 逃生和組織營(yíng)救

發(fā)生不可控災(zāi)害時(shí)，立即實(shí)施逃生和救援方案至關(guān)重要。船舶和陸地交通工具火災(zāi)救援挑戰(zhàn)不同。救援指揮應(yīng)考慮船只遠(yuǎn)離岸邊的水域條件，如水流、風(fēng)速和可用水源。救援隊(duì)?wèi)?yīng)初步調(diào)查火災(zāi)船舶的位置，如靠岸或河中心，明確救援計(jì)劃。了解船舶結(jié)構(gòu)和裝載物，預(yù)測(cè)火源和潛在爆炸危險(xiǎn)是關(guān)鍵。救援小組應(yīng)登船詳查，評(píng)估火勢(shì)和逃生路線，確定被困人員位置。對(duì)于涉及人員密集的客運(yùn)船舶或混合運(yùn)輸船舶的火災(zāi)，應(yīng)迅速安全地疏散被困人員至救生艇或安全地點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，如救生艇承載能力和安全距離，制訂有效的救援計(jì)劃。若火災(zāi)船舶靠近岸邊，消防隊(duì)?wèi)?yīng)迅速行動(dòng)，在水槍掩護(hù)下進(jìn)入船艙內(nèi)部，以最快速度進(jìn)行人員疏散。對(duì)于位于開(kāi)闊水域的船只，應(yīng)利用附近的救生設(shè)施和船只，如救生艇和漁船，從上風(fēng)向或側(cè)風(fēng)向接近火場(chǎng)，利用軟梯或救生梯實(shí)施緊急疏散行動(dòng)，確保所有人員的安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

為護(hù)航上海市“一江一河”建設(shè)發(fā)展戰(zhàn)略順利實(shí)施，全力確保新型動(dòng)力船舶在上海市水域的安全運(yùn)行，本文針對(duì)鋰電池動(dòng)力船舶提出了一系列預(yù)防策略，涵蓋了技術(shù)、操作和應(yīng)急方面的措施。通過(guò)選用穩(wěn)定性更高的鋰電池、采用更安全的材料和結(jié)構(gòu)、建立嚴(yán)格的操作規(guī)程、配備高效的電池管理系統(tǒng)，以及完善的逃生和組織營(yíng)救方案，可以有效降低鋰電池火災(zāi)與爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，保障船舶和船員的安全。這些舉措將為新型動(dòng)力船舶鋰電池系統(tǒng)的安全管理提供參考和指導(dǎo)，為船舶行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。

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