鋰離子電池火災(zāi)事故的原因分析及滅火救援對策研究

尹飛鴿 鐘文治 柯桂洲

摘? 要：伴隨新能源鋰離子電池的普遍應(yīng)用，在此方面所產(chǎn)生的安全問題也越發(fā)暴露出來，尤其是鋰電池的安全性，更是應(yīng)作為分析和研究的重要內(nèi)容，由于鋰離子電池在生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸、使用的過程中，都有發(fā)生火災(zāi)的隱患，且燃燒速度快、溫度高、發(fā)煙量大，這自然會增加火災(zāi)撲救難度。基于此，本文以鋰離子電池火災(zāi)事故的原因分析為出發(fā)點(diǎn)，而后探討了鋰離子電池火災(zāi)事故的滅火救援對策，最后對于其發(fā)展前景進(jìn)行了一定探討。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池 火災(zāi)事故 原因分析 滅火救援 策略 研究

中圖分類號：TU998? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）06（a）-0031-03

Cause Analysis of Lithium-ion Battery Fire Accidents and Research on Fire Fighting and Rescue Countermeasures

YIN Feige? ZHONG Wenzhi? KE Guizhou

（Hongmei Brigade， Fire Rescue Detachment of Dongguan City， Dongguan， Guangdong Province， 523039 China）

Abstract： With the widespread application of new energy lithium-ion batteries， safety issues in this area are becoming more and more exposed， especially the safety of lithium batteries， which should be an important content of analysis and research， because lithium-ion batteries are in production During the process of storage， transportation， and use， there are hidden dangers of fire， and the burning speed， high temperature， and large amount of smoke will naturally increase the difficulty of fire fighting. Based on this， this article takes the analysis of the causes of lithium-ion battery fire accidents as the starting point， and then discusses the fire-fighting and rescue countermeasures of lithium-ion battery fire accidents， and finally discusses its development prospects.

Key Words： Lithium ion battery; Fire accident; Cause analysis; Fire rescue; Strategy; Research

近些年，雖說鋰離子電池的續(xù)航時間越發(fā)延長，但電池爆炸、自燃等狀況的發(fā)生率也越發(fā)提升，無疑會影響到相關(guān)用戶、企業(yè)的安全性，相較于傳統(tǒng)的鋰電池，鋰離子電池能夠利用于可嵌鋰碳材料代替以往的金屬鋰作為負(fù)極。并且，因鋰離子電池之中的氧化劑與可燃材料二者是一同存在的，若是產(chǎn)生高溫或是過充的情況，那么則易于導(dǎo)致熱失控狀況的發(fā)生，更甚會誘發(fā)火災(zāi)事故產(chǎn)生。所以，積極解決此方面所產(chǎn)生的安全問題，則能夠作為沖破電池持續(xù)性發(fā)展瓶頸的一項關(guān)鍵舉措。

1? 鋰離子電池火災(zāi)事故的原因分析

1.1 過充對于鋰離子電池產(chǎn)生的影響

對于此方面的研究人員來說，已對于鋰離子電池的主要組成原理、熱反應(yīng)機(jī)理等方面實施了大力的實驗分析及研究[1]。王宏偉等人對于鋰離子電池在各種溫度狀態(tài)之下過放過充的變化方面進(jìn)行了研究，并以-30℃、20℃及40℃作為主要的代表，逐一實施了過充過放實驗，而最終的實驗結(jié)果表明溫度越高，那么過充的危險性則會越大，也會更加提高電池的溫度。段冀淵等人對充電循環(huán)對于電池過充所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析和研究，而最終的結(jié)果表明循環(huán)的頻率越快，那么電池爆炸的節(jié)點(diǎn)則會越早，這則為電池在進(jìn)行過幾次的充電與放電之后，對于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的微小傷害，而這種傷害在大倍率過程的狀況之下就會加以暴露，而后就會影響到電池所具備的安全性。

在人們平日的生活之中，過充這一隱患問題較為易于發(fā)生，在過充時對于鋰電池來說，其電壓會不能控制不斷升高，而對于貧鋰情況之下的正極材料來說，則會迅速分解放熱，若是正極電勢上升到電解液氧化分解電勢時，那么最終就會導(dǎo)致電解液氧化分解釋放不少的熱量及氣體[2]。袁慶峰對于32Ah鋰離子電池的過充性實施了分析及研究，在研究過后，則顯示在起火之前，電池內(nèi)溫度相較于外溫度來說，要明顯更高，而這則表明電池內(nèi)部熱量的快速累積為電解液反應(yīng)的最終結(jié)果，而此反應(yīng)易于使電池溫度、內(nèi)壓快速升高，致使電池產(chǎn)生破裂的狀況，更甚者會導(dǎo)致火災(zāi)及爆炸事件的發(fā)生。鄭葳對于10Ah鋰電池在各種倍率狀況之下的過充狀況進(jìn)行了分析和研究，而后則發(fā)現(xiàn)在幾何中心位置為電池的最高溫度，同時正極柱的實際受熱率要明顯大于負(fù)極柱，二者的表面溫度要顯著大于其他表面的溫度。

1.2 短路對于鋰離子電池產(chǎn)生的影響

對于鋰電池來說，電解質(zhì)及電極材料都屬于易燃物品，也易于產(chǎn)生損壞的情況，致使電池短路狀況的發(fā)生，鋰電池之中的能量會以熱這一形式加以釋放，而此種迅速放熱的方式，會導(dǎo)致電池溫度快速上升[3]。在高溫狀況之下，則會導(dǎo)致電解液出現(xiàn)燃燒的狀況，進(jìn)而則會導(dǎo)致電池被燃燒，若是周圍存在易燃的物品，那么就會導(dǎo)致爆炸狀況的發(fā)生，無疑會威脅到周圍人們的生命安全。

第一，鋰枝晶。在過充的情況之下，會使得鋰電池負(fù)極表面沉積不夠均勻，而后就會導(dǎo)致枝晶發(fā)生，在此情況下，鋰枝晶生長會非常快速，在折斷之后則會形成死鋰，進(jìn)而就會導(dǎo)致其不可逆，若是尖銳枝晶對于隔膜產(chǎn)生了穿透的情況，那么就會導(dǎo)致正負(fù)極產(chǎn)生短路的狀況，同時還會處在自放電的情況之下，在熱量大量積聚之后，則會導(dǎo)致鋰電池著火，更甚會導(dǎo)致爆炸狀況的發(fā)生。

之所以會導(dǎo)致鋰離子電池過熱狀況的發(fā)生，主要是由于過充而導(dǎo)致的，鋰金屬結(jié)晶會導(dǎo)致產(chǎn)生微短路的狀況，然后就會導(dǎo)致電池溫度升高，使得電解液氣化電池內(nèi)部產(chǎn)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致電池燃燒，在深化分析之后，則體現(xiàn)為過度充電導(dǎo)致的燃燒，并非絕對產(chǎn)生于電池充電的情況之下，也易于產(chǎn)生在材料沒能夠燃燒的情況之下，在內(nèi)部熱量聚集至自然溫度后，則易于產(chǎn)生自燃現(xiàn)象，而后則導(dǎo)致爆炸事件發(fā)生。對于鋰電池來說，若對其過放電，則會致使負(fù)極碳片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塌陷的狀況，在下一次進(jìn)行充電時，則會導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)生短路的狀況，進(jìn)而則會引發(fā)火災(zāi)。

第二，隔膜缺陷。高飛等人利用于AHP法，對于鋰離子電池火災(zāi)危險的影響因素實施了分析和計算，最終發(fā)現(xiàn)隔膜為一項重要的因素。究其原因，主要是由于生煙性參數(shù)值含量較為大，不完全燃燒的隔膜會致使煙氣較多，會對人體的呼吸道產(chǎn)生一定的刺激性，會影響到滅火救援工作的救援效果[4]。并且在具體切割期間，鋰電池極片寬的邊緣還易于產(chǎn)生切割之后的一些毛刺，若是產(chǎn)生的毛刺刺穿了隔膜的情況，則會導(dǎo)致電池產(chǎn)生短路的狀況，利用于有機(jī)涂層或者是無機(jī)涂層，可在較大程度上優(yōu)化隔膜的實際性能，也能夠防范在切割之后所產(chǎn)生的毛刺致使產(chǎn)生較多的安全隱患問題，如此能夠優(yōu)化電池的安全性能。

有不少研究人員利用聚丙烯及聚乙烯等制作出了合金料制備的隔膜，這種隔膜的穩(wěn)定性明顯更高，但不可否認(rèn)的是，其雖可下降閉孔的溫度，然而在運(yùn)用期間的均勻性卻較為不足。隔膜的強(qiáng)度及安全性二者之間存在著尤為緊密的聯(lián)系，若能夠加入高聚合度混合物則能夠顯著增強(qiáng)膈膜的強(qiáng)度，并且對于孔徑較小的層來說，還利于控制金屬鋰生長，使得鋰電池可更為具備安全性。

2? 鋰離子電池火災(zāi)事故國內(nèi)的滅火救援對策研究

2.1 科學(xué)選擇滅火劑

在高溫狀態(tài)之下，鋰金屬的反應(yīng)活性非常高，若是單一運(yùn)用于冷卻滅火劑或是化學(xué)抑制的方式，那么則會導(dǎo)致滅火器不能夠在鋰金屬表面之上形成一層覆蓋層，若是停止運(yùn)用滅火劑，那么金屬則易于復(fù)燃[5]。現(xiàn)階段，主要是運(yùn)用于銅粉滅火劑來進(jìn)行滅火，這主要是由于銅粉在進(jìn)行反應(yīng)之后，能夠形成銅鋰合金，鈍化液態(tài)鋰表面，產(chǎn)生滅火的作用。再者，還可以快速散出燃燒之后所形成的熱量，確保鋰快速降溫，這樣也能夠下降燃燒的強(qiáng)度，保證鋰電池火災(zāi)的救援效果。

2.2 重視保持安全距離

以鋰電池生產(chǎn)來說，要求現(xiàn)場指揮者務(wù)必要迅速和技術(shù)工作者之間加以溝通和聯(lián)系，具體化的了解到鋰電池的主要類型、數(shù)量，做到科學(xué)運(yùn)用滅火劑，還應(yīng)認(rèn)真觀察，科學(xué)規(guī)劃好消防車輛的路線，觀察是否存在爆炸的可能性，重視保持安全距離，也應(yīng)合理發(fā)出相應(yīng)指令，快速撤出戰(zhàn)斗，這樣才更利于保障消防人員的安全性。

2.3 監(jiān)控?zé)崾Э販囟?/p>

在產(chǎn)生鋰電池火災(zāi)之后，務(wù)必要增多現(xiàn)場的用水量，還需控制電池的溫度，借助于水槍或是噴霧實施充分的冷卻，控制電池表面的溫度[6]。并且，對于內(nèi)部的溫度來說，也需實施充分的控制，這樣可在較大程度上降低電解液的排氣，防范電池內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)燃的狀況，利于確保電池的安全性。所以，務(wù)必要監(jiān)控?zé)崾Э販囟龋@樣更利于保障鋰離子電池火災(zāi)事故的救援效果，在最大程度上防范危及到人員的生命及財產(chǎn)安全。

2.4 避免救援中破拆車體的危險性

在破拆鋰離子電動汽車的救援過程中，在對電池組分布及車體構(gòu)造不明確的情況下，破拆具有較強(qiáng)的危險性。在開展電動汽車破拆實驗的過程中，在切割和破拆電池組的環(huán)節(jié)均出現(xiàn)了劇烈的反應(yīng)，嚴(yán)重情況下會發(fā)生爆炸。而在進(jìn)行實際救援工作中，也出現(xiàn)了未知車體構(gòu)造的情況下，導(dǎo)致切割電池組的時候發(fā)生了人員傷亡情況。因此，為杜絕上述問題發(fā)生，需要在破拆之前，對電池組的分布情況及汽車的構(gòu)造有了充分的了解，還需要對車體上部進(jìn)行優(yōu)先破拆，對車體后部和底部的破拆應(yīng)謹(jǐn)慎，必要情況下則無需破拆，以此避免出現(xiàn)破拆風(fēng)險，提高火災(zāi)救援的安全性[7]。

2.5 避免救援中射水的導(dǎo)電性

較比傳統(tǒng)汽車，鋰離子電動汽車系統(tǒng)具有較大差別，在車體內(nèi)具有高壓電氣系統(tǒng)，因此，可以對其進(jìn)行有效利用。國外研究表示，在對鋰離子電動汽車整車火災(zāi)實驗進(jìn)行檢測環(huán)節(jié)，需要對滅火水槍槍口進(jìn)行定時的電氣測量，在水槍槍口的電壓、電流在額定安全值的情況下，則表示可以通過大量射水的方式對鋰離子電動汽車的火災(zāi)進(jìn)行救援。

3? 鋰離子電池火災(zāi)事故國外的滅火救援對策研究

在國際方面，NFPA（美國消防協(xié)會）在研究以鋰離子電動汽車為代表的新能源電動汽車的危險性方面較為領(lǐng)先，比國內(nèi)開展的鋰離子電池火災(zāi)事故更早。為更加高效地開展滅火救援工作，NFPA先對鋰離子電池發(fā)生火災(zāi)的原因進(jìn)行了分析，由于電池內(nèi)部故障而引發(fā)熱失控，滅火系統(tǒng)對熱失控?zé)o法阻止，并且，由于在電芯單元之間不具備多層隔熱保護(hù)，進(jìn)而導(dǎo)致級聯(lián)熱失控。這是導(dǎo)致火災(zāi)的主要原因，在發(fā)生火災(zāi)過程中，若是處于早期階段，應(yīng)通過現(xiàn)有滅火系統(tǒng)對火勢進(jìn)行處理。而在火勢比較嚴(yán)重的情況下，應(yīng)使用ABC干粉滅火器滅火。此外，NFPA的鋰離子火災(zāi)救援體系十分精準(zhǔn)化，在滅火時由于鋰離子電池著火約24h才能完全撲滅，因此，會使用熱成像攝像頭進(jìn)行輔助滅火，以此對鋰離子電池進(jìn)行監(jiān)控，直到確保不再冒煙后再觀察最少1h，才能確保火勢被完全撲滅。再者，若電池的溫度較高，會釋放和泄露電解質(zhì)，而電解質(zhì)是易燃品，這時可以利用大量的水進(jìn)行滅火，且沒有觸電安全。

4? 結(jié)語

總而言之，鋰離子電池所具備的優(yōu)勢較多，如能量密度高，具備綠色環(huán)保性，同時充放電的時間還較短，所以在現(xiàn)階段已然是最具優(yōu)勢的電池體系。但鋰離子電池火災(zāi)事故卻易于發(fā)生，而在分析原因之后，發(fā)現(xiàn)許多因素均會致使鋰離子電池火災(zāi)事故的發(fā)生，對此積極探索和分析滅火救援的對策就顯得尤為關(guān)鍵，這則包括科學(xué)選擇滅火劑，重視保持安全距離及監(jiān)控?zé)崾Э販囟鹊龋瑥亩嬲Ｕ蠝缁鹁仍男Ч２⑶遥€應(yīng)采取切實可行的方式，盡可能地預(yù)防鋰離子電池火災(zāi)事故的發(fā)生。

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