電動汽車鋰離子電池火災爆炸成因分析與應對策略

謝克強

摘 要：近年來，隨著我國電動汽車項目高速發展，其能量載體動力鋰離子電池被廣泛運用，然而同時隨之而來的是火災爆炸事故頻頻發生，造成了一定的生命財產損失。鋰離子電池因其具有高能量密度和電解液成分復雜等多種原因而具有非常大的火災危險性，目前國內外針對鋰離子電池的安全研究主要集中于預防火災方面，而在滅火救援中的應對方法研究相對較少，所以對電動汽車鋰離子電池發生火災爆炸的成因分析和應對策略進行研究具有緊迫的必要性。本文通過分析電動汽車鋰離子電池火災爆炸的主要成因和危險性，提出針對鋰離子電池火災原理、特征和安全風險的滅火救援應對策略，希望能為消防救援隊伍在撲救電動汽車火災中的技戰術運用和作戰安全提供一些建議。

關鍵詞：消防 鋰離子電池 成因分析 應對策略

Abstract：In recent years， with the rapid development of electric vehicle projects in China， the energy carrier power lithium-ion battery has been widely used. However， at the same time， fire and explosion accidents occur frequently， resulting in a certain loss of life and property. Lithium-ion battery has great fire risk due to its high energy density and complex electrolyte composition. At present， the safety research of lithium-ion battery at home and abroad mainly focuses on fire prevention， while the research on response methods in firefighting and rescue is relatively few. Therefore， it is urgent to analyze the causes of fire and explosion of lithium-ion battery of electric vehicle and study the countermeasures. By analyzing the main causes and risks of lithium-ion battery fire and explosion of electric vehicles， this paper puts forward the fire-fighting and rescue strategies for the principle， characteristics and safety risks of lithium-ion battery fire， hoping to provide some suggestions for the technical and tactical operation and operational safety of fire rescue teams in fighting electric vehicle fire.

Key words：firefighting， lithium-ion battery， cause analysis， countermeasures

1 引言

現代社會，鋰離子電池的技術進步深刻影響了電子產品的迭代升級，在近20年的時間中，電動汽車項目也因為鋰離子電池技術的日漸成熟而得到充分發展。動力鋰離子電池已發展成為純電動汽車主要的能源載體，其中磷酸鐵鋰電池（LFP）以其放電穩定、熱失控發展較慢、成本低廉和環保等特點，成為電動客車的主要儲能系統;鎳鈷鋁（NCA）、鎳鈷錳（NCM）等三元鋰電池的優勢在于能量及功率密度高、工作電壓高、循環壽命長，成為家用電動汽車的主要能源載體。

電動汽車項目在近年來成為我國重點扶持的戰略性新興產業，對我國能源結構改革，打贏藍天保衛戰具有重要戰略意義[1]。截止2021年6月，我國純電動汽車保有量493萬輛，占汽車總量的1.69%，新能源汽車總量的81.68%，較去年同期增長高達234.92%。而與電動汽車產業迅猛發展相對應的，是其安全性備受社會廣泛關注。2020年5月16日，上海市嘉定區一臺蔚來ES8在停放未充電的情況下中出現冒煙情況，8月20日，福建省三明市一臺北汽EX360純電動小型SUV在充電過程中發生爆炸。為加強電動汽車的安全性，工信部于2020年5月12日發布電動汽車安全系列強制性國家標準GB 18384-2020《電動汽車安全要求》并在2021年1月1日起實施，對車輛各項安全指標進行了再次修訂和細化。但隨著電動汽車的社會保有量日漸增加，其發生火災爆炸的災害起數仍然呈正相關式增長，如何破解電動汽車火災爆炸的救援問題需要得到消防救援隊伍足夠的重視。文獻調研結果表明，作為電動汽車的核心部件，動力鋰電池系統熱失控是引發電動汽車起火的首要原因[2]。國內外針對鋰離子電池的安全研究主要集中在預防方面，而對在滅火救援中的應對方法研究相對較少，因此對電動汽車鋰離子電池發生火災爆炸的成因分析和應對策略進行研究具有緊迫的必要性。

本文將通過對電動汽車鋰離子電池發生火災爆炸的主要成因和危險性進行分析，提出針對鋰離子電池火災原理、特征和安全風險的滅火救援應對策略，希望能夠為消防救援隊伍在撲救電動汽車火災中的技戰術運用和作戰安全提供一些建議。

2 鋰離子電池工作原理和基本結構簡介

電動車電池簡稱EVB（Electric-Vehicle Battery），一般用于純電動車（BEV）或混合動力電動汽車（HEV）上，考慮其功率密度及使用壽命，市面上絕大多數純電動汽車使用的都是鋰離子電池組作為動力源。鋰離子電池是一種充電電池，采用鋰的化合物作為正極，將石墨作為負極，該電池基于電化學的嵌入/脫嵌反應，使鋰離子在正負極間移動，從而達到充放電的目的。鋰離子電池在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態;放電時則相反。

3 電動汽車鋰離子電池火災爆炸成因分析

基于現有研究表明，電動汽車動力鋰電池發生火災的主要原因是電池的化學能釋放，產生大量熱量，使電池出現高溫與高壓，最終表現形式為熱失控和熱失控擴展引起的燃燒或爆炸。Q.S Wang[3]等學者概述了鋰離子電池熱失控理論、基本反應、熱模型、模擬和實驗工作，認為鋰離子電池熱失控是電解質、陽極和陰極之間的放熱反應引起的，隨溫度和壓力升高，引起鋰離子電池鼓脹、噴射，最終造成火災和爆炸。

鋰離子電池發生熱失控的主要外因一般分為：機械濫用、電氣濫用、自身缺陷、高溫環境四類，均會導致電池內部產生不可逆的放熱反應，進而形成火災爆炸事故。

現實條件下，鋰離子電池在產生大量熱量導致溫度急劇升高一般會造成兩種情況，一是反應產生的熱量達到可燃物燃點從而產生火災;二是封閉情況下的鋰離子電池易集聚大量熱量導致體系內的溫度過高，加速電池內活性物和電解液的分解和反應，生成大量氣體，導致電池內壓力過大，瞬間超過安全閥泄壓能力，導致噴射火甚至爆炸事故的產生。動力鋰電池發生火災往往是一系列的連鎖反應，由單個或單組鋰電池發生熱失控，并在相對封閉的條件下發生熱傳播造成電池組整體性、立體性火災。鋰離子電池中同時含有加壓的環境下易燃的電解質，提高了鋰離子電池發生火災爆炸事故的風險。

4 動力鋰離子電池火災爆炸主要危險性

電動汽車動力鋰離子電池火災事故主要危險性呈現為：一是火災發展快、溫度高、蔓延迅速，具有爆炸風險;二是燃燒產物成分復雜，且具有毒性;三是燃燒能量高，持續時間長，復燃可能性較高;四是部分未燃燒電池組可能存在機械故障等原因沒有關閉而處于工作狀態下，可能使車體帶電。

5 基于動力鋰離子電池火災爆炸成因和主要危險性的滅火救援應對策略

5.1 滅火原則和策略選擇

針對鋰離子火災成因的最終表現形式為熱失控和熱失控擴展的情況，在滅火過程中應當以控制熱失控反應作為主要滅火原則，故在實際滅火過程中需要特別注意以下措施：

（1）為有效控制火災蔓延速度，應當對鋰離子電池周邊明火進行撲滅，并建議使用細水霧進行滅火以取得最佳效果。

（2）抑制熱失控應當減緩熱失控反應速率，而高溫是其反應速率增大的關鍵因素，因此滅火過程中應當向鋰離子電池外部持續降溫，降低熱失控反應速率。

（3）針對在電動汽車滅火過程中可能出現的有毒物質危害和觸電風險，消防指戰員應當做好呼吸防護和防觸電措施，通常情況下，所佩戴的滅火或救援手套沒有絕緣功能，因此要佩戴不低于1級標準的滅火防護裝備。

（4）堅持救人第一基本原則。對無法實施斷電操作車輛，且火勢對被困人員和救援人員造成威脅時，應視情使用噴霧水或干粉滅火器對火勢進行壓制，利用絕緣器材迅速開展救人行動。

（5）明火撲滅后應當持續監測一小時不復燃后方可移交其他處置部門。

5.2 滅火劑選擇

針對火災成因，在滅火劑的選擇上應當考慮其必須具有良好的吸熱效果，同時兼具有易得的特性，目前，國內外許多學者、機構和組織對如何選擇撲救鋰離子火災的滅火劑進行了詳盡的實驗和分析，其中，德國機動車監督協會（DEKRE）模擬實驗表明水可以成功撲救電動汽車鋰離子電池火災;以Model S車型為例，在特斯拉救援手冊中，官方建議用大量的水撲滅電池火災，完全熄滅并冷卻電池火災可能需要使用大約3000加侖（11356升）的水（直接澆在電池上）。綜合考量，在處置電動汽車火災時，消防救援隊伍應當選擇水作為最適宜的滅火劑進行撲救，同時應當保證供水充足以完全撲滅火災。

應特別注意泡沫滅火劑不適用撲救鋰離子電池火災，由于泡沫會影響鋰離子電池內部熱量的散發，而且鋰離子電池在熱失控發生后會釋放出可燃氣體和氧氣，因而用窒息、抑制或隔離原理滅火的二氧化碳或者泡沫滅火劑的滅火效果就會受到影響。

6 結語

本文通過對國內外電動汽車鋰離子電池行業大量資料的收集、整理、分析、總結，從鋰離子電池工作原理和基本結構、火災爆炸主要成因和危險性等方面進行分析，提出基于動力鋰離子電池火災爆炸主要成因和危險性的滅火救援應對策略，包括個人防護選擇、滅火技戰術選擇、滅火劑選擇、安全管控等方面，對消防救援隊伍參與電動汽車火災爆炸事故撲救具有一定的理論指導作用。

電動汽車行業發展迅速，不斷地有新材料的應用及新技術的產生，本文無法做到對該種災害情況進行完整的實際分析，很多理論沒有經過實戰檢驗。希望能夠持續加強相關基礎知識的學習和積累，對不同的理念和技術有更深入地了解。

參考文獻：

[1]崔勝民.新能源汽車[M].北京：化學工業出版社，2019：1-16.

[2]陳文豐.電動汽車火災防治技術研究[D].西安：長安大學，2016.

[3]WANG Q S， PING P， ZHAO X J， et al. Thermal runaway caused fire and explosion of lithium ion battery[J]. Journal of Power Sources，2012，208：210-224.

[4]張磊，張永豐，黃昊，等.熱過載鋰電池熱失控特性及其早期探測模式研究[J].消防科學與技術，2018，37（1）：55-58.

[5]張磊.電動汽車鋰電池火災特性及滅火技術[J].勞動保護，2019（5）：76-78.