鋰離子電池充放電循環測試滅火系統設計探討

張賢凱　易勝男　熊蕊蕊

摘要：隨著新能源鋰離子的發展，三元電池成為主流，但其提高能量密度的同時，加大了安全風險，本文分析了鋰離子電池的充放電生產過程中的火災危險性，從廠房建筑防火控制措施，設備消防系統配備雙重預防及控制機制著手，對充放電循環生產過程中的火災風險進行預防和控制，為鋰離子電池制造企業的生產過程消防滅火技術、安全管理提供一定的參考借鑒。

關鍵詞：鋰離子電池;充放電循環;熱失控;建筑防火;本質安全

1 引言

近年來，隨著全球新能源汽車市場需求的不斷擴大，鋰電池行業的發展十分迅猛。而當前隨著鋰電池能量密度的不斷提高，暴露出不少安全問題，其中鋰電池在制造時的安全性已經成為各鋰電池企業關注的重點[1]。三元鋰電池的能量密度一直在提升，使得鋰電池功率增大，續航時間延長[2]，但由于能量密度大，生產過程中，充放電的循環發生熱失控風險較大，瞬間放出大量的熱量，引起火災甚至爆炸事故發生[3]。

目前，國內外相關研究主要集中在鋰離子電池熱特性理論[4]、電池材料[5-6]及電解液熱穩定性[1，7]等方面，對鋰離子電池，尤其是三元鋰電池生，生產過程中的滅火技術缺少深入的研究。由此，本文以鋰離子電池生產中的充放電循環為例，從其火災危險性著手，對其有效的滅火技術措施進行分析設計。

2 鋰離子電池充放電循環火災危險性分析

三元鋰離子電池火災危險主要體現在充放電循環生產環節，其火災危險性如下：

（1）鋰離子電池生產過程如粉塵管控不足，金屬粉塵進入電池內，刺穿隔膜，充放電循環式，形成內短路，引發火災甚至爆炸。行業內此類事故多發。

（2）充放電循環時，如設備異常造成充電電壓高于設計電壓值，電芯本體會因為溫度不斷升高點燃內部電解液等易燃易爆物質，發生內部熱失控，引起火災，甚至爆炸。

（3）異常情況下，電池正負極殼體外部短路時，短路點的大電流擊穿電芯，引起電芯冒煙起火。

（4）充放電設備存放多顆電池，設備內部容積有限，發生熱失控處理不及時，高溫引起內部電解液揮發，會形成引起易燃易爆環境，造成火災爆炸事故。

（6）充放電廠房生產區域內，設備往往呈巷道式布置，一顆電芯發生火災爆炸，如果滅火、排煙不及時，會引起整改區域火情、煙霧蔓延，造成較大火災爆炸事故，或救援人員人身傷害。

因此，考慮到鋰離子火災危險性大，充放電循環設備設計多種、綜合的消防滅火其他對于充放電生產工序的火災的及時有效處置非常關鍵。

3 鋰離子電池充放電循環生產工序火災設計原則

應對鋰離子電池火災，首先要從設計上要考慮多重手段，本質安全與管理手段并行，多管齊下：主要遵從如下原則：

（1）既要有效、又要及時;盡力將火災控制在單個庫位單個電芯，防止波及到其他區域。

（2）既要滅火，又要排煙;既要防止火勢造成財產損失，又要防止火情或煙霧對救援人員造成傷害

（3）既要從源頭控制，又要從全局考慮;考慮對單個庫位及整個區域的影響。

（4）既要設備設施響應，又要人為干預。自動與手動相結合。

4 綜合滅火措施的設計

4.1設備本質安全設計及設備消防設計

以某工廠“充放電循環產線”為例，其中設備采用巷道式布置在狹長封閉空間，通道上運行堆垛車，并作為消防通道，廠區狹小，設備密集，電池存放量大。

4.1.1 本質安全設計

循環測試設備針床內部包含測試監控軟件實時采集鋰電池在充放電過程中的電壓、電流、溫度數據。

設備程序針對鋰離子電池的循環過程中出現的異常等級設計了兩種不同層級的保護邏輯，通過自動切斷充放電循環來預防電池出現冒煙起火：

一級保護：指單電芯在充放電過程中單個采樣點的電壓、電流、溫度采樣數據上升、下降、波動并超出設定的閾值，軟件監測到此類數據時會聯鎖停止單電芯充放電過程，防止發生冒煙起火。

二級保護：在某一設定的時間周期內，采樣電壓連續波動點數及波動值超出設定的閾值，軟件在檢測到此類異常數據時立刻通知電源柜停止夾具內所有電芯的充放電流程。

4.1.2 設備消防設計

循環設備前后方各一個煙霧探測器，電芯殼體溫度檢測探頭（內置于測試針床），電壓電流溫度采樣線，惰性氣體噴射嘴（噴射1230滅火劑），測試針床的上下夾具接口設置有可自動閉合的消防門即設備門，消防門閉合后針床內部可形成一個與外界完全隔絕的環境。設備外部配備1230自動滅火系統，應對電芯冒煙起火的自動響應。

單電芯在充放電時，在某一設定的時間周期內，同一個針床內N個電芯的殼體溫度采樣值超出設定的閾值（N值可任意設置），或任一煙霧探測器檢測到煙霧信號且任一電芯殼體溫度采樣值超出設定的的閾值，此時測試針床立刻將電芯與探針組分離，自動將消防門閉合（隔絕外部空氣進入），并控制惰性氣體儲氣罐閥門自動打開向測試針床內噴射1230惰性氣體，1230氣體為新型滅火劑，專門針對鋰離子電池火災處置，自動響應反應迅速，6s即可響應，60s內即可對火情進行有效壓制。

同時，設備每個庫位設計水噴淋系統，水消防管路布局合理，庫位內設計有噴淋機構，噴淋區域能夠覆蓋整個庫位。設備水噴淋系統作為1230滅火劑的補充使用。當1230不能有效撲滅火情時，手動啟動消費水噴淋，對庫位進行滅火壓制;

每層庫位配備排煙系統，火災發生時，操作裝置在信號作用下將閥門打開，進行排煙。

4.2廠房建筑防火滅火布置設計

結合建筑防火設計規范要求，同時針對鋰電池行業危險性，對廠房建設防火設計如下：

4.2.1防火分隔

充放電循環區域應進行獨立的防火分隔，隔墻耐火時間大于3h。

4.2.2區域高度

區域設備高度不應超過2m，便于進行滅火救援;貨架只車間頂部距離不少于0.8-1m，預留容煙空間。

4.2.3疏散救援通道

區域縱向設置不少于0.9*1.8m的救援通道;中部位置需要設置橫向的應急救援通道，寬度不小于0.9m，并設置安全出口，橫向通道的數量為每隔20m設置一個;

4.2.4安全出口：

區域內最少兩個安全出口，并盡量以對角方式進行設置;區域設置觀察窗。

4.2.5消防設施

（1）按要求設置煙感火災自動報警系統;

（2）區域設置廠房噴霧系統;

（3）設置消火栓系統，需要保證有兩股水袋到達任意位置;需要設置導流槽收集消防水。

（4）需要設置廠房消防機械排煙，要求換氣次數12次/h，最不利點距離排煙口不超過20m。

5 結語

鋰電池綜合滅火技術設計，在實際應用中，在處置電池充放電循環測試過程中的火災事故上非常有效。優勢如下：

（1）設備預防火災本質安全設計能夠快速及時響應，溫度異常、電壓異常，煙感感應燈多種觸發邏輯，及時切斷充放電動作，防止電池起火。

（2）能夠快速有效壓制初期火災，有效控制鋰電池起火后的蔓延，控制在局部。N-1230滅火劑專用于鋰電池起火，自動觸發，6S即可響應，快速將火災風險扼殺在初期萌芽狀態;當1230效果不佳時，還能手動開啟設備水噴淋對單庫位火災進行處置。

（3）蜂巢式庫位設計及庫位的防火材料，能夠為滅火爭取時間，防止火情向其余區域蔓延。

（4）設備設置自動排煙系統，防止煙霧蔓延到其他區域;

（5）廠房設置自動報警、噴淋水、消防栓系統、廠房排煙系統，能有效應對初期火勢處置失控的蔓延。

綜上所述滅火技術、系統針對性強，能夠快速、有效、及時的處理鋰電池充放電循環起火，防止蔓延與波及，降低財產損失，也能保障應急人員的人身安全。

作者簡介：

張賢凱，碩士，主要從事鋰電池防火防爆、滅火技術的研究與應用。

易勝男，學士，主要從事消防安全及畜電池安全研究。

參考文獻：

[1] 戈司，王青松.鋰離子電池火災危險性研究就相關進展[J].消防科學與技術，2012，9（06）：1-1.

[2] 李毅，于東興，張少禹，劉欣，王健強.鋰離子電池火災危險性研究[J].中國安全科學學報，2012，22（11）：36-41.施志聰，楊勇.聚陰離子型鋰離子電池正極材料研究進展[J].化學進展，2005（04）：604-613.

[3] 司戈，王青松.鋰離子電池火災危險性及相關研究進展[J].消防科學與技術，2012，31（09）：994-996.