鋰電池不同荷電狀態(tài)對熱失控的影響及航空安全運輸技術研究

摘要：為了預防和減少鋰電池火災危害，分析了不同荷電狀態(tài)對鋰電池的影響，介紹了民航領域兩起典型鋰電池起火事故。發(fā)生事故的鋰電池一般處于高荷電狀態(tài)，設計并開展了不同荷電狀態(tài)鋰電池的成組熱失控試驗，結果表明，鋰電池高荷電狀態(tài)熱失控后燃爆劇烈，并伴隨強烈的明火和沖擊，低荷電狀態(tài)下則只出現(xiàn)濃煙?；诖?，介紹了航空鋰電池的低溫及常溫安全運輸技術，簡要介紹了機場鋰電池起火燃燒的應急處理措施，為航空鋰電池安全運輸提供技術保障。

關鍵詞：鋰電池；熱失控；荷電狀態(tài)；低溫運輸

中圖分類號：D631.6" " " 文獻標識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）03-0001-03

近年來，電動自行車鋰電池火災風險日益受到關注，對人民群眾生命財產(chǎn)安全構成了威脅。據(jù)應急管理部消防救援局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2023年共接報電動自行車火災2.5萬余起，造成82人死亡[1]。而鋰電池空運安全也是航空貨運面臨的一個較大難題。

1 鋰電池荷電狀態(tài)及相關航空安全事件簡述

1.1" 不同荷電狀態(tài)對鋰電池的影響

鋰電池的荷電狀態(tài)（SOC）是指電池的剩余電量與其額定容量的比值，是評估電池充電狀態(tài)的重要參數(shù)。在鋰電池的熱失控過程中，SOC是一個關鍵因素。隨著SOC的增加，電池內阻增大，導致更多能量轉化為熱量。這些熱量若不能及時散發(fā)，電池溫度升高，加劇SOC的增加，形成惡性循環(huán)。在高溫環(huán)境下，SOC的增加會導致電池溫度迅速升高，加速熱失控過程，這是因為高溫下電池內部的化學反應速率加快，高溫還會削弱電池隔膜的作用，增加正負極直接接觸的風險，進而觸發(fā)短路等連鎖反應，加劇熱失控的發(fā)展[2-4]。

1.2" 民航領域鋰電池安全事件概述

近年來，航空運輸領域偶爾發(fā)生鋰電池安全事故，對航空運輸安全構成了嚴重威脅，這些事故中的鋰電池通常處于較高的SOC狀態(tài)，且都是成組的鋰電池。例如，2022年3月1日，國內某航空公司的航班在執(zhí)飛過程中，后貨艙出現(xiàn)火警[5]。據(jù)初步調查，起火原因疑似為旅客托運行李內有充電寶或其他鋰電池產(chǎn)品。2021年4月11日凌晨5時，香港國際機場停機坪一批貨物突然起火，起火貨物為智能手機及配件[6]，火焰高達數(shù)米。消防員接報到場后，于5時56分將火撲滅。

2 鋰電池不同SOC熱失控試驗

2.1" 試驗裝置搭建

為了驗證成組鋰電池在不同荷電狀態(tài)下的熱失控狀態(tài)，設計并開展了不同SOC的鋰電池成組熱失控試驗。該試驗由14個鋰電池為一組，試驗裝置搭建見表1。試驗裝置盡量避開放置有可燃物的環(huán)境，可放置在室外空曠地帶，室內應有排煙裝置，現(xiàn)場放置滅火器。

2.3" 試驗過程及結果

試驗時，對電爐進行持續(xù)加熱，約5min后鋰電池開始出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，現(xiàn)場狀態(tài)見圖1。

2.4" 試驗分析

從試驗過程可以看出，鋰電池組的熱失控可分為兩個階段。不同荷電狀態(tài)的鋰電池熱失控，在第一個階段基本一致，主要是單體熱失控到成組熱失控，煙霧劇烈冒出；在第二階段過程迥然不同，滿電狀態(tài)最為劇烈，反沖現(xiàn)象明顯，沖擊作用大，爆炸聲音非常明顯。較為安全的狀態(tài)是較低的荷電狀態(tài)，沒有明顯爆燃。中國民航局公布的《鋰電池航空運輸規(guī)范》規(guī)定，經(jīng)航空運輸?shù)匿囯姵氐碾娏繎陀?0%。

3 航空鋰電池安全運輸技術

3.1" 鋰電池的低溫運輸技術

3.1.1" 低溫運輸機理

鋰離子電池的熱失控是由于熱量積聚和溫度升高而在電池中逐漸發(fā)生的一系列不可逆的放熱反應，導致快速放熱和連鎖反應。隨著環(huán)境溫度的降低，電池在容量表現(xiàn)出明顯的差異?，F(xiàn)有研究表明[7-8]，在低溫環(huán)境下，電極與電解質界面的電荷轉移、鋰離子的有效傳輸會受到阻礙，從而導致電荷傳遞速率和鋰離子擴散速率下降。因而低溫運輸主要采用主動式航空溫控集裝箱，航空溫控集裝箱配備了電池和壓縮機制冷系統(tǒng)，箱內溫度可以長時間保持在2～5℃，鋰電池的熱量被冷機的冷風帶走，不會形成熱積聚現(xiàn)象。

3.1.2" 低溫運輸實踐

2021年，由某有限公司生產(chǎn)的大型動力鋰電池搭乘俄羅斯空橋貨運航空公司航班從上海浦東機場出發(fā)，飛抵德國法蘭克福機場。該批動力電池采用航空溫控集裝箱作為裝載容器，并利用低溫技術抑制鋰電池的熱失控[9]，見圖2。

3.2" 鋰電池的常溫運輸技術

3.2.1" 防火集裝箱運輸機理

由于低溫運輸時需要使用控溫設備，控溫設備重量較大，可能會造成航空公司運載的浪費，因而常溫運輸可以帶來更高的運輸效率。鋰電池常溫運輸通常采用航空防火集裝箱，且需符合SAE AS8992《耐火集裝箱設計、性能和測試要求》，防火集裝箱需要進行不少于6h的全尺寸防火試驗，見圖3。航空防火集裝箱可將鋰電池熱失控限制在集裝箱內部，可抵御6h的燃燒，該時間段可保證足夠的時間用于機組備降及在地面消防應急部門進行安全處置，從而保證飛行器的安全。

3.2.2" 防火集裝箱運輸實踐

卡塔爾航空是全球第一家決定將普通航空集裝箱更換為航空防火集裝箱的航空公司，卡航認為隨著包含鋰電池的電子設備貨物越來越多，貨艙運輸需要考慮隨之而來的風險。裝有鋰電池電子設備的集裝箱，在裝卸、存儲和運輸途中，都有可能出現(xiàn)火情。防火集裝箱經(jīng)過嚴格測試，可以經(jīng)受得住由鋰電池引發(fā)的火災長達6h。防火集裝箱的箱門由高抗沖擊性材料制成，能夠降低爆炸瞬間產(chǎn)生的沖擊，能夠應對旅客攜帶使用鋰電池電子產(chǎn)品帶來的航空安全威脅。

4 鋰電池燃燒機場應急處理技術分析

機場小規(guī)模鋰電池燃燒起火的應急處理主要包括以下幾個步驟：

1）立即隔離火源：首要任務是迅速將起火的鋰電池與周圍物品隔離，避免火勢擴大。如果可能，使用阻燃材料將火源周圍進行封堵。

2）疏散人員：立即疏散起火區(qū)域附近的人員，確保其安全。同時，向機長和地面調度室報告火情。

3）使用適當?shù)臏缁鸸ぞ撸和扑]使用干粉滅火器或泡沫滅火器，但應注意，避免使用水進行滅火，因為水可能加劇火勢并導致鋰電池爆炸。

4）冷卻處理：在火勢得到控制后，繼續(xù)對鋰電池進行冷卻處理，確保鋰電池內部溫度完全降低，防止復燃。

5）廢固收集和處理：使用專用容器收集已經(jīng)冷卻的鋰電池，并確保容器具有良好的密封性和防火性能。將收集到的鋰電池交給專業(yè)的廢物處理機構進行處理，確保符合環(huán)保要求。

6）檢查與報告：對整個處理過程進行檢查，確保沒有遺漏或未處理的火源。同時，向地面調度室報告火情處理情況，并根據(jù)實際情況重新安排飛行計劃。

5 結束語

綜上所述，鋰電池在不同荷電狀態(tài)下的危險性差異較大，本文通過設計并開展鋰電池不同荷電狀態(tài)下的熱失控試驗，發(fā)現(xiàn)航空運輸時應確保鋰電池處于低荷電狀態(tài)，并采用低溫等安全的運輸技術，當在機場發(fā)生意外燃燒時，應及時采取合理的方法進行應急處置，確?；鹎椴粩U大并快速滅火降溫，注意處理燃燒后產(chǎn)生的廢固物。

參考文獻

[1]央視網(wǎng).國家消防救援局 2023年共接報電動自行車火災2.5萬余起[EB/OL].https：//tv.cctv.com/2024/02/24/VIDE3fmEcLLovrn4901XggAZ240224.shtml

[2]潘公宇，薛磊.不同荷電狀態(tài)下鋰電池的熱失控實驗研究[J].電源技術，2022，46（10）：1132-1135.

[3]朱艷麗，徐藝博，王聰杰，等.不同荷電狀態(tài)磷酸鐵鋰電池熱

失控溫度與產(chǎn)氣特性分析[J].安全與環(huán)境學報，2024，24（1）：

143-151.

[4]毛松科，田德祥，肖婷，等.溫度、SOC對鐵鋰電池存儲性能的影響[J].物理化學進展，2019，8（3）：59-64.

[5]騰訊網(wǎng).九元航空一客機緊急備降長沙105人撤離，疑貨艙內充電寶起火[EB/OL].https：//news.qq.com/rain/a/20220301A05W6300

[6]網(wǎng)易.香港機場貨柜起火，vivo手機慘遭禁運[EB/OL].https：//m.163.com/dy/article/G7PIRHDP0511CRN2.html

[7]吳怡芳，劉學謙，賈佳林，等.低溫鋰離子電池性能退化原因與對策[J].電源技術，2023，47（9）：1113-1117.

[8]路露，周小紅，余樂平，張鑫.鋰離子電池低溫性能研究進展[J].化工新型材料，2021，49（11）：55-58.

[9]中國民航網(wǎng).國內首次大型動力鋰電池空運出口順利完成[EB/OL].http：//www.caacnews.com.cn/1/6/202111/t20211110_1333896.html