鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)鹿室暯窍碌娘L(fēng)險管控與作戰(zhàn)編成研究

摘 要：隨著鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，隨之而來的是火災(zāi)事故概率也在逐年增加，其安全性的提升迫在眉睫。如何找準(zhǔn)鋰離子電池的火災(zāi)風(fēng)險點，從產(chǎn)業(yè)鏈源頭、產(chǎn)品、應(yīng)用場景三位一體進行梳理，豐富滅火救援知識儲備，制定相對應(yīng)的技戰(zhàn)術(shù)措施顯得十分必要。因此，本文從鋰電池生產(chǎn)、儲存、運輸、應(yīng)用、回收等方面分析鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險評估和安全管控，為一線消防救援人員處置此類火災(zāi)提供一定的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池 產(chǎn)業(yè)鏈 安全管控

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”成為全球共識，新能源產(chǎn)業(yè)已進入到多層次、多類型、多元化發(fā)展階段，電動汽車保有量、電力儲能領(lǐng)域裝機容量的提升、電池回收和道路運輸量的快速發(fā)展引發(fā)了鋰離子電池消費和需求的增長，對其生產(chǎn)、倉儲、回收、道路運輸環(huán)節(jié)以及應(yīng)用端的安全管控變得更加關(guān)鍵，對滅火救援工作也提出了更高的要求。

近年來，鋰離子電池生產(chǎn)、運輸、存儲、應(yīng)用、回收的產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)鹿食尸F(xiàn)向上趨勢。例如 2016江蘇啟東“5·31”海四達(dá)電源有限公司鋰電池倉庫火災(zāi)事故、2016廣東深圳“7·10”美拜電子有限公司老化車間火災(zāi)事故、2017年山西朔州“3·7”京玉發(fā)電有限公司鋰電池集裝箱火災(zāi)事故、2020年河南鄭州“5·29”新能源電動汽車起火事故、2021年北京豐臺“4·16”儲能電站爆炸事故、2021年安徽六安“8·15”單體錳酸鋰電池運輸事故、2022年湖北武漢“1·12”磷酸鐵鋰電池預(yù)制倉運輸火災(zāi)事故。通過對鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈火災(zāi)風(fēng)險進行剖析，構(gòu)建鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的風(fēng)險識別和安全管控體系，以便于提升救援人員現(xiàn)場風(fēng)險研判和安全管控成效，最大限度減少人員傷亡。

1 制造產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)鹿曙L(fēng)險管控

1.1 正極材料

1.1.1 風(fēng)險研判

正極材料生產(chǎn)工序涉及二氧化硫、氫氣、液氨、強酸的物質(zhì)，整套工序觸電、中毒、爆炸、燃燒等多種風(fēng)險疊加，若救援人員安全防護不齊全，可能對人員造成化學(xué)灼傷、腐蝕、中毒事故。特別是尾氣吸收裝置區(qū)域發(fā)生氮氧化物泄漏、爐內(nèi)氮氣泄漏等，在局部區(qū)域未及時排出或人員進入爐內(nèi)區(qū)域作戰(zhàn)可能對人員造成中毒窒息事故。

1.1.2 安全管控

初戰(zhàn)力量到場后，應(yīng)全程落實呼吸和軀干雙防護標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)泄漏或火災(zāi)情況，著一、二級防護服（滅火防護服），液氨發(fā)生泄漏時要佩戴氧氣呼吸器，保證進入重危區(qū)及輕危區(qū)人員安全及連續(xù)作戰(zhàn)時間。距離事故區(qū)域集結(jié)停車距離不應(yīng)低于300米（少量泄漏不少于300米，大量泄漏不少于500米），處置安全距離不少于150米。

1.2 負(fù)極材料

1.2.1 風(fēng)險研判

以石墨為理想的負(fù)極材料在生產(chǎn)中涉及高溫噴爐風(fēng)險、氮氣泄漏、粉塵爆燃事故，從而引起人員中毒、窒息。對于負(fù)極材料廠房火災(zāi)，指揮員應(yīng)特別注意變壓器油造成的流淌火。

1.2.2 安全管控

負(fù)極材料生產(chǎn)中主要涉及高溫、觸電傷害，尤其是爐體易出現(xiàn)高溫噴爐風(fēng)險。救援人員需全程落實呼吸系統(tǒng)和身體安全防護，根據(jù)輻射熱的高低和不同災(zāi)情，確定防護級別。

1.3 電解質(zhì)

1.3.1 風(fēng)險研判

電解液中溶劑多為易燃有毒物質(zhì)，要合理選擇滅火藥劑，防止爆炸、中毒風(fēng)險。對于存放成品的電解液，一旦發(fā)生事故，可先通過安全閥、泄壓口進行降壓處理，然后通入氮氣窒息滅火。

1.3.2 安全管控

嚴(yán)格落實軀干、呼吸的雙重保護，要配備一定數(shù)量的防毒面罩、使用氧氣呼吸器保障長時間作戰(zhàn)。嚴(yán)格落實洗消作業(yè)，必須第一時間調(diào)集去氟靈應(yīng)急沖洗液等專業(yè)洗消劑。同時也應(yīng)注意關(guān)閉雨排防止全廠氟化氫擴散蔓延，不應(yīng)在氟化鋰、五氟化磷等生產(chǎn)裝置區(qū)打水，以防無水氟化氫向氫氟酸轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致災(zāi)情擴大。

2 鋰電池應(yīng)用領(lǐng)域事故風(fēng)險管控

隨著電動汽車和儲能市場快速增長，儲能電站、新能源汽車的災(zāi)害事故也頻繁發(fā)生，鋰離子電池發(fā)生熱失控，倘若能量不能及時進行釋放，將會存在起火乃至爆炸的風(fēng)險。

2.1 新能源汽車事故風(fēng)險管控

2.1.1 風(fēng)險研判

新能源汽車事故最危險的是觸電風(fēng)險，在處置過程中，即便斷開高壓電池的能量輸出，倘若電容器能量沒有及時釋放，在短時間內(nèi)區(qū)域電壓仍會保持在某數(shù)值。因此，高壓系統(tǒng)每次斷電后要等待5-10分鐘實施作業(yè)。此外，電池?zé)崾Э剡^程中會產(chǎn)生大量的有毒可燃煙氣（如CO2、CO、SO2、THC等），在隧道、地下停車庫等密閉空間內(nèi)還有爆炸的風(fēng)險[1]。消防救援人員應(yīng)具有風(fēng)險評估意識和安全管控的能力。

2.1.2 安全管控

鋰離子電池的荷電狀態(tài)越高，其反應(yīng)越猛烈，PENG P等[2]電池在高荷電狀態(tài)下能產(chǎn)生更多次數(shù)的射流火焰，同時釋放出更多的燃燒熱。PENG Y等[3]研究68A·h磷酸鐵鋰電池在加熱條件下的氣體毒性和熱失控危害，提出電池的熱失控危害和氣體毒性隨荷電狀態(tài)的增加而增加。單明新等[4]采用不同倍率過充電方式，刺激10A·h三元鋰離子電池，結(jié)果表明：在距離電池爆炸15cm處測得最大壓強為0.03MPa，由此可見電池爆炸對現(xiàn)場作戰(zhàn)人員安全的影響。趙春朋等[5]研究表明：在滿電荷電狀態(tài)下，18650型三元鋰離子電池（2A·h）發(fā)生爆炸的能量為5.45gTNT，假設(shè)在密閉空間內(nèi)所有滿電荷電池都發(fā)生爆炸的極端事故進行理論計算，其安全距離見表1。

2.2 儲能電站事故風(fēng)險管控

2.2.1 風(fēng)險研判

電化學(xué)儲能電站最大的安全風(fēng)險是電池堆（電池簇），火災(zāi)事故主要是由高溫、過充及外短路引起，電池艙或室內(nèi)的鋰離子電池可能表現(xiàn)的外在燃燒形式主要有：電池冒白煙、黑煙、爆炸、燃燒等特性，救援人員在開艙滅火時，應(yīng)按照建筑火災(zāi)防控要領(lǐng)實施進攻。

2.2.2 安全管控

儲能電站倉門打開后，CO的體積分?jǐn)?shù)從環(huán)境值2.4×10-6上升至190×10-6甚至更高[6]。消防救援人員在陣地設(shè)置時要注意避開泄壓口、泄壓面，處置過程中應(yīng)與事故區(qū)域保持50米以外的安全距離，在不明箱體內(nèi)的具體狀態(tài)的情況下，盡量不靠近、暫緩處置，防止電池組突然爆燃或爆炸的沖擊、高溫傷害。

3 鋰電池回收事故風(fēng)險管控

3.1 風(fēng)險研判

磷酸鐵鋰電池（18650）燃燒后的殘留物中存在部分苯的衍生物、稠環(huán)芳香烴、酞酸酯、吡咯烷酮以及各種萘烷等有害物質(zhì)[7]。在電熱觸發(fā)鋰電池?zé)崾Э貙嶒炛?，利用氣質(zhì)聯(lián)用儀監(jiān)測到丙烯醛、丙腈、丙二腈、萘、丁烯酮、硫氰酸乙酯、糠醛、二甲基肼等高毒產(chǎn)物，并且丙烯醛是國際癌癥研究機構(gòu)公布的致癌物質(zhì)[8]。滅火救援人員長時間接觸空氣中的這些物質(zhì)會造成不可逆的身體損傷。

3.2 安全管控

一是利用無人機進行高空偵察，實時傳輸燃燒爆炸區(qū)的數(shù)據(jù)，時刻監(jiān)控火災(zāi)災(zāi)情，確定安全距離；二是利用水質(zhì)分析儀、PH試紙檢測流淌、泄漏液體的組分和酸堿度含量，嚴(yán)防人員呼吸中毒和軀干腐蝕事件發(fā)生。

4 鋰電池道路運輸事故風(fēng)險管控

4.1 風(fēng)險研判

由于電池發(fā)生熱失控時，不同SOC磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э剡^程釋放能量和耗水量也不同，見表2[9]。指揮員應(yīng)將物質(zhì)燃燒產(chǎn)物釋放能量納入整個作戰(zhàn)行動環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確預(yù)判安全距離，及時調(diào)整作戰(zhàn)位置。

4.2 安全管控

對于發(fā)生在高架橋、高速公路、隧道等情形下的運輸車輛事故，應(yīng)第一時間封閉雙向道路，確定安全距離，尤其要注意單橋墩及重型車輛的停放位置，以防高架橋坍塌。

5 作戰(zhàn)編成

5.1 車輛編成

由于鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)、鋰離子電池汽車的火災(zāi)特點與燃油汽車不同，電池使用的化學(xué)顏料種類多、工藝復(fù)雜、動力成品電池?zé)崾Э睾髮嶋H滅火困難等原因，火災(zāi)發(fā)生過程可能會引發(fā)中毒、觸電、復(fù)燃等次生災(zāi)害。針對不同的生產(chǎn)工藝、電池狀態(tài)、有無人員被困等災(zāi)情，所使用的技戰(zhàn)術(shù)措施也不盡相同，從救人和滅火的角度來看，應(yīng)把握防護到位、快速救人、安全滅火的戰(zhàn)術(shù)原則。作戰(zhàn)編成力量見表3。

5.2 保障編成

針對滅火作戰(zhàn)時間長、用水量大、現(xiàn)場有毒氣體多、專業(yè)處置要求高的特點，需要提供裝備保障車、移動充氣車、重型水罐車、遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)等車輛及專業(yè)技術(shù)人員進行供水、供氣和技術(shù)支持的保障。

5.3 專勤編成

針對災(zāi)害現(xiàn)場動力電池存在熱失控的風(fēng)險，其產(chǎn)物含有劇毒物質(zhì)，力量調(diào)集時應(yīng)調(diào)集偵檢車、防化洗消車、化學(xué)搶險車等專勤車輛，主要對事故現(xiàn)場進行詳細(xì)、專業(yè)的偵察，在處置過程中加強人員的防護，處置完畢后進行車輛、人員、裝備的洗消，確保任務(wù)安全順利完成。

生產(chǎn)企業(yè)：水罐車＋普通泡沫車＋遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)＋舉高車＋搶險車＋化學(xué)洗消車＋供氣車＋墻壁破拆車。

回收企業(yè)：水罐車＋普通泡沫車＋高倍數(shù)泡沫車＋遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)＋舉高車＋化學(xué)洗消車＋供氣車＋墻壁破拆車。

鋰離子電池電動汽車：水罐車＋壓縮空氣泡沫車/普通泡沫車＋搶險車。

6 結(jié)語

鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)鹿示仍畬仍袆臃桨负完爢T的專業(yè)技能要求較高，國家綜合性消防救援隊伍要加強隊伍數(shù)量、救援預(yù)案、救援協(xié)同等方面的建設(shè)，摸清安全風(fēng)險隱患底數(shù)，及時組建電氣火災(zāi)處置專業(yè)隊，編制相應(yīng)的操法，配備相應(yīng)的器材裝備，強化相應(yīng)的技戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練，提升產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)鹿示仍膶I(yè)能力。同時，在處置該類災(zāi)害事故中，應(yīng)全流程、全方位、全階段地穿戴全套個人防護裝備，以防發(fā)生救援人員傷亡事故。

參考文獻：

[1]張磊，張永豐，黃昊.LFP鋰電池?zé)崾Э靥匦约捌浔ㄎｋU性分析[C]//中國消防研究所.2017中國消防協(xié)會科學(xué)技術(shù)年會論文集，上海：公安部上海消防研究所，2017：117-119.

[2]PING P， WANG Q S， HUANG P F， etal. Study on the fire behavior of large high-energy Li-ion battery with full-scale burning test[J].Journal of Power Sources， 2015：285： 80-93.

[3]PENG Y， YANG L， JU X， etal. A comprehensive investigation on the thermal and toxic hazards of large format lithium-ion batteries with LiFePO4 cathode[J].Journal of Hazardous Materials， 2020：381. doi： 10.1016/j.jhazmat.2019.120916.

[4]單明新，王松岑，朱艷麗，等.鋰離子電池過充爆炸強度試驗研究[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2015，15（5）：116-118.

[5]趙春朋，王青松，余顏.密閉空間中鋰離子電池的熱爆炸危險性[J].儲能科學(xué)與技術(shù)，2018，7（3）：424-430.

[6]胡振愷，李勇琦，彭鵬.電池儲能系統(tǒng)火災(zāi)預(yù)警與滅火系統(tǒng)設(shè)計[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2020，39（10）：1434-1438.

[7]孫均利，陳捷，顧琮鈺.不同荷電狀態(tài)下鋰離子電池外熱實驗與分析[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2017，36（12）：1728-1730.

[8] SUN J， LI J， ZHOU T， etal. Toxicity， a serious concern of thermal runaway from commercial Li-ion battery[J]. Nano Energy， 2016， 27：313-319.

[9]張明杰，張堅，楊凱，等.磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э剡^程中釋放能量分析[J].電源技術(shù)，2020，44（11）：1583-1621.