電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

王式民，劉 暢，楊濤濤

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東棗莊 277599）

0 引言

在我國貫徹落實(shí)新能源汽車戰(zhàn)略的環(huán)境背景下，電動(dòng)汽車行業(yè)已經(jīng)成為國家重點(diǎn)進(jìn)行扶持的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，在能源機(jī)構(gòu)改革方面、環(huán)境保護(hù)方面具有重要意義，但是近幾年來電動(dòng)汽車在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)火災(zāi)事故問題，容易引發(fā)生命財(cái)產(chǎn)安全隱患，使人們對(duì)電動(dòng)汽車使用的安全性產(chǎn)生質(zhì)疑，甚至加大了人們對(duì)其安全隱患的憂慮，使電動(dòng)汽車的推廣受到一定影響。因此，未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池應(yīng)用的安全性，嚴(yán)格分析火災(zāi)危險(xiǎn)性特點(diǎn)與規(guī)律準(zhǔn)確的進(jìn)行處理，從根源上預(yù)防安全隱患問題所來的影響。

1 電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

1.1 熱失控風(fēng)險(xiǎn)分析

實(shí)際上，動(dòng)力鋰電池出現(xiàn)火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)問題的原因就是電池釋放出化學(xué)能之后會(huì)有熱失控的現(xiàn)象、熱失控?cái)U(kuò)展的現(xiàn)象，最終引燃或者爆炸事故。從鋰離子電池的熱失控理論情況、反應(yīng)特點(diǎn)、熱模型情況、模擬情況和實(shí)驗(yàn)操作情況來講，熱失控主要就是電解質(zhì)陽極與陰極相互之間出現(xiàn)了放熱反應(yīng)，導(dǎo)致溫度有所提升，壓力有所增加，使得鋰電池出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象、噴射現(xiàn)象甚至還會(huì)有火災(zāi)事故、爆炸事故。使用化學(xué)熱力學(xué)技術(shù)措施、能源釋放技術(shù)措施，評(píng)價(jià)電解質(zhì)情況，通過測試掃描量熱儀設(shè)備開展測試活動(dòng)，可以明確發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池在應(yīng)用期間具有較高程度的機(jī)械刺激敏感性、爆炸威力很高，在充電放電期間，熱慣量可能會(huì)導(dǎo)致整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響，并且大功率的充電也可能會(huì)使得電池的耐用性降低、安全性受到不利的危害，主要原因就是在發(fā)熱量不斷提升、電池容量衰減的情況下，電極鍍層也會(huì)呈現(xiàn)出衰減的態(tài)勢，會(huì)引發(fā)動(dòng)力鋰離子電池出現(xiàn)熱失控的現(xiàn)象。另外，電池應(yīng)用期間具體的穩(wěn)定性會(huì)在剩余容量增多的情況下降低，最終可能會(huì)引發(fā)熱失控傳播，出現(xiàn)嚴(yán)重的多米諾效應(yīng)，導(dǎo)致整體電池的使用安全性降低。

在高攝入熱的通量環(huán)境下，鋰電池通常會(huì)出現(xiàn)猛烈燃燒的現(xiàn)象，放熱速率峰值、還有其中的總熱量，也會(huì)在高熱量攝熱增多的情況下增大，導(dǎo)致最終的起火放熱速率峰值時(shí)間降低，總熱量會(huì)不斷增多。鋰電池的燃燒情況大致分為起火階段、穩(wěn)定燃燒階段和熄滅階段，也可能會(huì)有冒煙噴射的現(xiàn)象，甚至?xí)斜ㄈ紵娚浠鸬那闆r，在熱功率逐漸增多的同時(shí)，燃燒時(shí)間也會(huì)有所減少，但是實(shí)際上燃燒特性不會(huì)受到電壓的影響。另外，在應(yīng)用過程中，當(dāng)鋰電池的表面溫度超出150 ℃時(shí)熱失控風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率會(huì)升高。

目前在動(dòng)力鋰電池應(yīng)用期間出現(xiàn)火災(zāi)事故的，通常為單個(gè)或是單組鋰電池出現(xiàn)熱失控的現(xiàn)象，在較為封閉的環(huán)境中，熱傳播速度加快，使得電池整體的安全性降低、一些專家開始將鋰離子電池模組、火災(zāi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ彤?dāng)做是主要的研究方向，創(chuàng)建火災(zāi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)熱失控之后的熱傳播特點(diǎn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在封閉空間環(huán)境中，沒有充足的散熱條件，電池模組就會(huì)出現(xiàn)熱量不斷提升的現(xiàn)象，發(fā)生故障問題，最終引發(fā)活性電池爆炸，產(chǎn)生連鎖性的反應(yīng)。如果不能合理、嚴(yán)格地進(jìn)行控制和預(yù)防，將會(huì)在出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象之后引發(fā)嚴(yán)重后果，不僅不能確保動(dòng)力鋰電池的良好運(yùn)用、安全使用，而且還會(huì)造成不良的影響、不利的危害，不符合當(dāng)前的發(fā)展特點(diǎn)。

1.2 火災(zāi)危險(xiǎn)性的特點(diǎn)分析

電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池發(fā)生火災(zāi)事故的特點(diǎn)較為明顯，一方面，火勢蔓延的速度非常快，燃燒過程中的溫度很高，另一方面，存在很多潛在性的風(fēng)險(xiǎn)問題，例如：中毒風(fēng)險(xiǎn)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)，另外燃燒的持續(xù)性時(shí)間很長，還有二次燃燒的可能性。據(jù)調(diào)查單個(gè)鋰電池很有可能會(huì)釋放很大的熱量，熱量的強(qiáng)度很高，還有可能會(huì)釋放毒氣體如二氧化碳、一氧化碳等，在電池電解質(zhì)分解的過程中還有可能產(chǎn)生甲烷氣體，而甲烷會(huì)和氧氣出現(xiàn)完全燃燒或者不完全燃燒反應(yīng)，最終生成一氧化碳和二氧化碳?xì)怏w，這也表明鋰電池火災(zāi)事故具有一定的危險(xiǎn)性。鋰電池燃燒情況很容易受到SoC（System on Chip，系統(tǒng)級(jí)芯片）數(shù)據(jù)值的影響，在數(shù)據(jù)值較低的情況下，鋰電池在火災(zāi)過程中熱釋放率就會(huì)增多、有毒氣體排放量增加、電池本身的溫度也會(huì)大幅上升，甚至還會(huì)釋放出有毒氣體氫氟酸，尤其是在SoC 數(shù)據(jù)值為0%的情況下，所產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w非常高，煙氣的毒性也很強(qiáng)。在SoC 數(shù)據(jù)值為50%的情況下，所生成的煙氣量最高，但一氧化碳的含量卻有所減少。除此之外，在應(yīng)用過程中動(dòng)力鋰電池還可能會(huì)受到一些因素的影響出現(xiàn)火災(zāi)危害的問題，如燃燒過程中釋放的有毒氣體、煙氣等，會(huì)危害人們的身體健康乃至于生命安全。

2 電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池火災(zāi)危險(xiǎn)的防控措施

2.1 預(yù)防措施

為最大限度預(yù)防電動(dòng)汽車鋰電池出現(xiàn)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)隱患，未來應(yīng)采取合理的研發(fā)預(yù)防措施，在科學(xué)預(yù)防的情況下規(guī)避安全隱患，尤其需要大力進(jìn)行具有阻燃特點(diǎn)的電解液研究，開發(fā)研制耐高溫性能、耐高壓性能的隔膜材料，并且在實(shí)際研究中重點(diǎn)開發(fā)溫度范圍很寬、安全性較為良好的固態(tài)鋰電池，創(chuàng)建熱失控火災(zāi)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停晟其囯姵氐幕馂?zāi)危險(xiǎn)性評(píng)估體系，在生產(chǎn)過程中進(jìn)行針對(duì)性評(píng)估，及時(shí)了解風(fēng)險(xiǎn)隱患問題并合理處置。在具體工作中，還需增強(qiáng)火災(zāi)防控的性能，建設(shè)初期火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)、防控系統(tǒng)，合理選用先進(jìn)的滅火器材料，改善滅火技術(shù)。

（1）在實(shí)際研究過程中應(yīng)盡可能地增加科研經(jīng)費(fèi)費(fèi)用，合理進(jìn)行新型材料的研究，盡量增加電池的能量密度，從根本上提升安全性，積極借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)，保證鋰電池的使用安全。

（2）應(yīng)階段性的進(jìn)行熱失控、引發(fā)燃燒試驗(yàn)活動(dòng)，歸納匯總溫度數(shù)據(jù)值、火焰數(shù)據(jù)值、噴射距離數(shù)據(jù)值、釋放可燃數(shù)據(jù)值、釋放有毒有害氣體數(shù)據(jù)職等，便于研發(fā)出可行性的預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)方案。

（3）借助先進(jìn)的仿真模擬軟件系統(tǒng)，對(duì)電池?zé)崾Э厮l(fā)的整體電動(dòng)汽車火災(zāi)的熱釋放速率情況、熱傳播途徑情況、燃燒途徑情況等進(jìn)行模擬，明確具體演變規(guī)律，便于篩選針對(duì)性的預(yù)防措施，同時(shí)還要結(jié)合火災(zāi)模型實(shí)驗(yàn)的具體情況，為電動(dòng)汽車鋰電池創(chuàng)建完善的安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，在生產(chǎn)期間結(jié)合基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行工作，使其可以滿足火災(zāi)安全的基本要求。

（4）創(chuàng)建初級(jí)性的火災(zāi)預(yù)警指標(biāo)系統(tǒng)，對(duì)初期發(fā)生火災(zāi)的情況進(jìn)行研究，在預(yù)警系統(tǒng)的幫助下，可以初期發(fā)出警報(bào)信息，并且利用干粉滅火方式、氣體滅火方式等，預(yù)防發(fā)生更為嚴(yán)重的火災(zāi)事故。

需要注意的是，在預(yù)防過程中應(yīng)提出不同的防控措施、仿真模擬的措施等，以增強(qiáng)預(yù)防的準(zhǔn)確度、有效性，杜絕發(fā)生安全隱患。

2.2 控制措施

在使用期間，如果電動(dòng)汽車的鋰電池出現(xiàn)火災(zāi)危險(xiǎn)事故，就要盡快進(jìn)行滅火，預(yù)防出現(xiàn)火勢蔓延的現(xiàn)象，盡可能提早了解到熱失控的征兆與情況，然后進(jìn)行熱失控控制后，阻止初期火災(zāi)。在此過程中，首先應(yīng)該積極創(chuàng)建撲救動(dòng)力鋰電池初級(jí)火災(zāi)的防控裝置設(shè)備，結(jié)合鋰電子電池?zé)崾Э氐恼麄€(gè)流程情況、溫度變化特點(diǎn)等，設(shè)置50 ℃、70 ℃、80 ℃三個(gè)等級(jí)的預(yù)警系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)性能的情況下可以提前預(yù)測火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)問題、提前做出預(yù)警，便于消除火災(zāi)。也可以運(yùn)用空氣冷卻技術(shù)、液體和熱管冷卻技術(shù)對(duì)電池進(jìn)行熱管理，在熱傳播或熱失控的情況下消除最初的火災(zāi)安全隱患。

另外，還需研究開發(fā)發(fā)生火災(zāi)過程中的撲救技術(shù)與機(jī)械設(shè)備，提高撲救的成功率，以免發(fā)生火災(zāi)蔓延問題、火災(zāi)事故嚴(yán)重性問題。為增強(qiáng)動(dòng)力鋰電池的火災(zāi)危險(xiǎn)性控制效果，應(yīng)健全相應(yīng)的管理機(jī)制，重點(diǎn)根據(jù)動(dòng)力鋰電池的火災(zāi)危險(xiǎn)性特點(diǎn)、應(yīng)用的危險(xiǎn)性情況等，科學(xué)化的運(yùn)用控制措施和控制手段進(jìn)行處理，尤其是要事前設(shè)定相應(yīng)的火災(zāi)危險(xiǎn)性預(yù)警機(jī)制，在動(dòng)力鋰電池運(yùn)行過程中如果有火災(zāi)的危險(xiǎn)性因素、風(fēng)險(xiǎn)元素，就要及時(shí)做出風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和危險(xiǎn)警告，使電動(dòng)汽車使用者可以快速了解危險(xiǎn)信息，自主解決問題或到維修店進(jìn)行處理，這樣不僅能降低火災(zāi)危險(xiǎn)事故的發(fā)生率，還能提高動(dòng)力鋰電池使用的安全水平。

需要注意的是，應(yīng)向電動(dòng)汽車使用者宣傳相關(guān)的火災(zāi)危險(xiǎn)性控制信息、防控知識(shí)，使其在使用期間能自覺預(yù)防、控制動(dòng)力鋰電池的火災(zāi)隱患，保證應(yīng)用的安全性能。

3 結(jié)束語

綜上所述，電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池可能會(huì)因?yàn)闊崾Э鼗蚱渌L(fēng)險(xiǎn)隱患引發(fā)火災(zāi)危險(xiǎn)，出現(xiàn)火災(zāi)危險(xiǎn)事故之后會(huì)釋放出有毒氣體、有害氣體，對(duì)周圍環(huán)境和設(shè)備的安全性造成不利影響。因此，在其使用過程中，應(yīng)該重點(diǎn)考慮如何預(yù)防控制火災(zāi)危險(xiǎn)性隱患，在設(shè)備生產(chǎn)環(huán)節(jié)、研發(fā)環(huán)節(jié)應(yīng)研究開發(fā)先進(jìn)的技術(shù)措施，在先進(jìn)技術(shù)的幫助下有效預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)隱患，并且通過先進(jìn)的預(yù)警系統(tǒng)、火災(zāi)撲救系統(tǒng)等，在發(fā)生火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)維護(hù)設(shè)備安全性，從根本層面入手規(guī)避安全隱患風(fēng)險(xiǎn)或其他問題。