淺析電動(dòng)汽車鋰離子電池火災(zāi)的特性及處置要點(diǎn)

歐陽春雷

摘? 要：動(dòng)力鋰離子電池火災(zāi)隨著電動(dòng)汽車行業(yè)迅猛發(fā)展呈多發(fā)態(tài)勢(shì)。相關(guān)人員經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)部動(dòng)力鋰離子電池?zé)崾Э刈鳛殡妱?dòng)汽車火災(zāi)的根本原因。該文對(duì)鋰離子電池?zé)崾Э貦C(jī)理、火災(zāi)危險(xiǎn)性、滅火技術(shù)等方面的研究狀況進(jìn)行了歸納和總結(jié)，為進(jìn)一步開展動(dòng)力鋰離子電池安全研究和電動(dòng)汽車火災(zāi)應(yīng)急救援提供參考依據(jù)，進(jìn)而推動(dòng)我國社會(huì)的快速發(fā)展和不斷進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池? 熱失控? 電池滅火? 處置要點(diǎn)

中圖分類號(hào)：U469.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）05（b）-0073-03

Abstract： With the rapid development of the electric vehicle industry， power lithium-ion battery fires are frequently occurring. Studies have found that fires in electric vehicles are mostly caused by thermal runaway of its internal power lithium-ion battery. This article summarizes and summarizes the research status of lithium-ion battery thermal runaway mechanism， fire hazard， fire extinguishing technology， etc.， and provides a reference for further research on power lithium-ion battery safety and electric vehicle fire emergency rescue， and then promotes the rapid development and continuous progress of our society.

Key Words： Lithium-ion battery; Thermal runaway; Battery fire extinguishing; Disposal points

近年來，新能源汽車作為節(jié)能環(huán)保政策下節(jié)能環(huán)保汽車的代表，以我國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)為動(dòng)力，極具發(fā)展前景。但以鋰離子電池作為能源的電動(dòng)汽車在實(shí)際應(yīng)用中存在較大難度與危險(xiǎn)。在電動(dòng)汽車火災(zāi)救援滅火處理中，消防人員中毒、觸電、燒傷危害片頻發(fā)。因而，為降低事故發(fā)生概率，明晰電動(dòng)汽車鋰離子電池燃燒特性，提高滅火技術(shù)應(yīng)用靈活性已成為當(dāng)前的重要工作。

1? 電動(dòng)汽車的定義

以電能作為動(dòng)力源的汽車稱為電動(dòng)汽車，按動(dòng)力源可分為純電動(dòng)汽車、燃料電池電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。純電動(dòng)汽車主要由電源系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、整車控制器和輔助系統(tǒng)組成。從工作實(shí)踐看，電動(dòng)汽車火災(zāi)原因中動(dòng)力電池故障引發(fā)火災(zāi)數(shù)量占比較大。

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，是能量存儲(chǔ)裝置。動(dòng)力電池系統(tǒng)主要由電池單體、電池管理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、線束結(jié)構(gòu)件和外殼構(gòu)成，具體見圖1。電動(dòng)汽車將動(dòng)力電池作為關(guān)鍵性核心，而鋰離子電池則作為市場目前應(yīng)用最為普遍的電車動(dòng)力電池[1]。

2? 鋰離子電池起火原因

鋰離子通過正負(fù)極移動(dòng)幫助鋰離子電池完成充電、放電工作，其屬于當(dāng)前充電電池中性能較高品類[2]。而鋰離子電池與“鋰電池”存在較大區(qū)別，“鋰電池”所將二氧化錳、亞硫酰氯作為正極材料，負(fù)極以鋰配平，不需充電即儲(chǔ)有電能作為電池組裝完成后的特點(diǎn)，因電池內(nèi)部短路多是由于充放電循環(huán)所形成的鋰結(jié)晶形成的，通常情況下鋰離子電池禁止充電，所以并不能將鋰離子電池與“鋰電池”相提并論。

循環(huán)性能好、無記憶效應(yīng)、比能量高作為鋰離子電池的特點(diǎn)性優(yōu)勢(shì)，在智能電網(wǎng)儲(chǔ)能、新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)中受到重點(diǎn)關(guān)注。但就鋰離子電池當(dāng)前實(shí)際情況而言并未達(dá)到本質(zhì)安全要求。從結(jié)構(gòu)上分析鋰離子電池，大量能力被存儲(chǔ)與密閉空間中極具危險(xiǎn)性。因?yàn)殡姵匾坏┨幱诙搪?、過熱、擠壓等條件下，無疑濫用鋰離子優(yōu)勢(shì)，在特點(diǎn)情況下受熱能影響引發(fā)電解液與電極產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，出現(xiàn)熱失控問題，進(jìn)而引發(fā)大規(guī)模火災(zāi)事故。

2.1 熱失控發(fā)生機(jī)制

動(dòng)力鋰離子電池充、放電循環(huán)作為電動(dòng)汽車使用過程，其在運(yùn)動(dòng)中會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生極為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。而負(fù)極表面SEI膜具有熱穩(wěn)定特定，受溫度限定影響達(dá)到臨界點(diǎn)會(huì)發(fā)生熱分解現(xiàn)象。而負(fù)極裸露多是因SEI 膜造成的，其裸露面與電解液直接接觸所產(chǎn)生的還原反應(yīng)不僅劇烈還伴隨可燃?xì)怏w與熱大量釋放。

當(dāng)電芯溫度達(dá)到190 ℃左右時(shí)多是由于SEI膜分解釋放的熱造成的，而這也是正極分解的主要原因。原子態(tài)氧在正極分解中被快速釋放，高活性的院子態(tài)氧是導(dǎo)致電解液直接劇烈氧化分解的根源，進(jìn)而導(dǎo)致電芯在短時(shí)間內(nèi)積聚大量的熱。

潛在熱副反應(yīng)是指在溫度或充電電壓過高時(shí)因熱量積聚使得電芯溫度與壓力快速上升，進(jìn)而發(fā)生熱失控。正極熱分解量大于負(fù)極，而電芯熱穩(wěn)定性受不同正極材料影響，所展現(xiàn)的情況存在較大差異。其中，磷酸鐵鋰在300 ℃左右基本不會(huì)出現(xiàn)分解狀態(tài)，而三元材料與其相比則以較低的電芯熱即可分解。高鎳三元正極隨著鎳含量的增加熱分解溫度愈來愈低的同時(shí)加熱量逐漸變大，即在110 ℃～130 ℃之間就會(huì)發(fā)生熱分解現(xiàn)象。

化學(xué)反應(yīng)所釋放的熱量多因動(dòng)力鋰離子電池散熱性能未達(dá)標(biāo)而知識(shí)溫度驟升，促使化學(xué)反映速率不斷增大，破事系統(tǒng)自動(dòng)加溫引發(fā)熱失控。除此之外，泄壓閥作為電芯基礎(chǔ)裝配輔助動(dòng)力鋰離子電池防爆閥，電池壓力一旦達(dá)到7 Pa左右時(shí)則會(huì)進(jìn)行泄壓。電解液在泄壓過程中閃電很低，所噴出的電解液整齊與防爆閥產(chǎn)生摩擦致使動(dòng)力鋰離子電池燃燒。因此，動(dòng)力鋰離子電池具有的特點(diǎn)是迅速燃燒，而并非劇烈爆炸。

2.2 內(nèi)部短路

由于電池的濫用，如掉落、擠壓、撞擊、過充過放導(dǎo)致內(nèi)部的枝晶與電池生產(chǎn)過程中的雜質(zhì)灰塵等，將惡化生成刺穿隔膜，產(chǎn)生微短路，電能量的釋放導(dǎo)致溫升，溫升帶來的材料化學(xué)反應(yīng)又?jǐn)U大了短路路徑，形成了更大的短路電流，這種互相累積、互相增強(qiáng)的破壞，導(dǎo)致熱失控[3]。

2.3 外部短路及高溫

外部短路因在人為操作不當(dāng)而產(chǎn)生，由于外部短路造成電池放電電流過大，易使電芯發(fā)熱，而高溫則會(huì)使電芯內(nèi)部的隔膜損壞，造成內(nèi)部短路，因而燃燒爆炸。由于鋰離子電池結(jié)構(gòu)的特性，在遇高溫情況下內(nèi)部構(gòu)造、電解液會(huì)發(fā)生反應(yīng)，并造成一連串化學(xué)反應(yīng)，多種反應(yīng)導(dǎo)致大量熱量產(chǎn)生。隔膜融化進(jìn)而導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，眾多能量的釋放又增加電池內(nèi)部熱量產(chǎn)生。這一連串的作用，最終導(dǎo)致防爆膜破裂，電解液噴出，從而起火燃燒。

2.4 鋰離子電池的燃燒特性

鋰離子電池的燃燒特性與眾不同，其中燃燒激烈、熱蔓延迅速、活潑金屬與水發(fā)生猛烈反應(yīng)生成產(chǎn)物作為基礎(chǔ)特性，在燃燒加劇的條件下火勢(shì)迅速蔓延。而在劇烈燃燒后所產(chǎn)生的煙塵與毒性極具危險(xiǎn)性，致使鋰離子電池在燃燒會(huì)釋放大量有毒有害氣體、粉塵顆粒，嚴(yán)重危害人體。不僅如此，難以控制的火勢(shì)極易引發(fā)爆炸，撲滅復(fù)燃可能性極大，撲救難度校大。而因鋰離子電池引發(fā)的火災(zāi)應(yīng)用常規(guī)物理方式僅能撲滅，無法通過關(guān)隔絕氧氣與切斷燃燒鏈的形式達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，而未能有效抑制火災(zāi)所引發(fā)的復(fù)燃問題。因而，鋰離子電池引發(fā)的火災(zāi)滅火的難度遠(yuǎn)高于其他火災(zāi)性。

3? 鋰離子電池火災(zāi)事故處置要點(diǎn)

我國制定《電動(dòng)汽車鋰離子電池箱火災(zāi)防控裝置性能要求和測(cè)試方法》以應(yīng)對(duì)鋰電池火災(zāi)情況。對(duì)于鋰離子電池箱火災(zāi)防控裝置在外觀與標(biāo)志、故障報(bào)警、啟動(dòng)反饋、滅火性能予以明確規(guī)定，為后續(xù)防火措施的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。而滅火時(shí)間、箱內(nèi)溫度與壓力變化等可控因素應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)考慮以應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，采取有效措施快速處理明火問題，提高鋰離子電池滅火效率[4]。

3.1 斷電

斷電操作作為鋰離子電池電動(dòng)車發(fā)生火災(zāi)時(shí)第一要?jiǎng)?wù)，目的在于為后續(xù)滅火救援預(yù)留時(shí)間。防觸電、防煙霧作為消防救援時(shí)的重要工作，車輛熄火是內(nèi)部電壓接受外界信號(hào)而應(yīng)用自動(dòng)斷電功能進(jìn)行切斷，但少數(shù)情況下會(huì)發(fā)生意外狀況，使得高壓供電線路未能及時(shí)切斷。因而，在消防救援工作中不要與鋰離子電池高壓組件發(fā)生直接碰觸，避免因防護(hù)不到位而出現(xiàn)擊穿狀況。及時(shí)測(cè)點(diǎn)電壓作為有效應(yīng)對(duì)方式之一，如果符合滅火標(biāo)準(zhǔn)首先采用水源滅火。而采取相關(guān)保護(hù)措施的目的則是以保護(hù)車內(nèi)人員安全，在符合接觸水源條件下采用專業(yè)滅火措施。

3.2 適當(dāng)?shù)难b備

消防車輛到達(dá)現(xiàn)場時(shí)，停車位置應(yīng)當(dāng)依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行恰當(dāng)選擇，嚴(yán)禁停靠在路基松軟、薄弱地帶，并時(shí)刻與起火點(diǎn)保持一定距離。車頭朝向撤離方向。搶救過程中，消防人員待命區(qū)域的選擇也是一大課題，需選擇相對(duì)高處且上風(fēng)處，避免有毒救災(zāi)廢水與有毒氣體危害待命人員。

由于鋰離子電池燃燒甚至爆炸，過程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)于人體有腐蝕性及有毒性等危害氣體，危害到第一線消防人員的皮膚或呼吸道等粘膜組織，另外也有可能有觸電的風(fēng)險(xiǎn)，所以全套PPE包括消防帽、面罩、空氣呼吸器、頭套、全棉防靜電內(nèi)衣、滅火防護(hù)服、手套、消防鞋等，這些都是必要的戰(zhàn)斗裝備。穿戴電絕緣服、絕緣靴、絕緣手套作為消防救援人員進(jìn)入帶電作戰(zhàn)區(qū)域時(shí)的必要防護(hù)裝備，還需攜帶漏電探測(cè)儀等基礎(chǔ)器材。危險(xiǎn)發(fā)生前必須先與鋰離子電池保持適當(dāng)?shù)陌踩嚯x，評(píng)估現(xiàn)場環(huán)境才能防止不必要的傷害[5]。

3.3 適當(dāng)?shù)耐L(fēng)環(huán)境

鋰離子電池火災(zāi)通常會(huì)產(chǎn)生大量擁有可燃性、腐蝕性與毒性之危害氣體，在適當(dāng)?shù)臈l件下易引起燃燒甚至爆炸。若救災(zāi)環(huán)境允許的話，盡量建立有效通風(fēng)，使救災(zāi)環(huán)境能排除危害氣體，以降低危害因子，減少消防人員的危害風(fēng)險(xiǎn);如果在密閉環(huán)境下，在建立任何開口時(shí)應(yīng)特別注意，因電池內(nèi)部環(huán)境已長時(shí)間悶燒，建立開口容易造成大量氧氣的竄入，使其建立完整的燃燒三要素（可燃物、助燃物、熱能）從而引發(fā)現(xiàn)場快速燃燒或爆燃。

3.4 足夠的水源供救災(zāi)使用

如果到達(dá)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)是鋰離子電池火災(zāi)時(shí)，應(yīng)考慮現(xiàn)場水源是否能有效滅火。因?yàn)殇囯x子電池火災(zāi)若僅撲滅其表面火焰，是無法完整中斷其化學(xué)反應(yīng)，電池內(nèi)部通常還會(huì)有極高的溫度，且鋰離子電池特殊的熱失控現(xiàn)象，會(huì)持續(xù)發(fā)生且容易產(chǎn)生再度復(fù)燃現(xiàn)象。為此，必須使用大量的水持續(xù)降溫，直至鋰離子電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)結(jié)束，才可避免造成再次復(fù)燃的可能。消防人員執(zhí)行鋰離子電池火災(zāi)的滅火攻擊時(shí)，可由熱顯像儀來監(jiān)測(cè)溫度，以確保鋰離子電池溫度降至安全范圍，避免只撲滅表面火焰，而誤以為滅火完成而造成電池復(fù)燃現(xiàn)象。最后，要長時(shí)間的靜置觀察電池溫度有無升高、復(fù)燃[6]。

4? 結(jié)語

電動(dòng)汽車領(lǐng)域隨著鋰離子電池應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展并將其廣泛應(yīng)用于行業(yè)發(fā)展中，而逐漸增多的鋰離子火災(zāi)事故時(shí)的火災(zāi)危險(xiǎn)的基礎(chǔ)性研究在現(xiàn)階段圍繞其展開。與此同時(shí)，對(duì)有毒氣體、觸電與爆炸作為火災(zāi)中應(yīng)當(dāng)重視的基礎(chǔ)性問題進(jìn)行分析與研究，采取科學(xué)的滅火措施與有效技術(shù)，解決電動(dòng)汽車鋰電池火災(zāi)隱患，進(jìn)而推動(dòng)電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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