文章來源：《電動汽車鋰電池滅火技術(shù)研究》

隨著電動汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，動力鋰電池火災(zāi)呈多發(fā)態(tài)勢。研究發(fā)現(xiàn)，電動汽車發(fā)生火災(zāi)多是由于其內(nèi)部動力鋰電池?zé)崾Э厮?，動力鋰電池起火引發(fā)的電動汽車滅火技術(shù)逐漸引起各界的重視。

1動力鋰電池結(jié)構(gòu)

動力鋰電池作為整車動力來源，是電動汽車發(fā)展的核心技術(shù)。目前，在電動汽車上主要應(yīng)用的電芯按外形分為圓形和方形，其中，圓形電芯有18650、21700兩種。典型圓形電芯和方形電芯的結(jié)構(gòu),如圖1所示。

鋰電池按外包材料可分為鋁殼鋰電池、鋼殼鋰電池、軟包電池。按正極材料可分為鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳（NCM）、鎳鈷鋁（NCA）、磷酸鐵鋰（LFP）。其熱穩(wěn)定性大小順序?yàn)榱姿徼F鋰電池＞錳酸鋰電池＞三元材料電池（NCM、NCA）＞鈷酸鋰電池。目前，方形電芯在國內(nèi)成為動力鋰電池的主流。圓形和方形鋰電池技術(shù)特性對比,見表1所示。

2動力鋰電池起火原因

2.1 電動汽車起火案例分析

電動汽車起火案例分析表明，起火原因大多是由于動力鋰電池?zé)崾Э厮?。通過對某型電動汽車一年起火時間分析，發(fā)現(xiàn)在溫度較高的5-8月，起火案例起數(shù)占總數(shù)的52%以上，環(huán)境溫度過高是動力鋰電池起火的因素之一；從該電動汽車起火案例中車輛運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計還發(fā)現(xiàn)，充電過程中起火占比為68%，行駛過程起火占比為20%，靜止和其他情況下起火占比為12%。

2.2 動力鋰電池?zé)崾Э匕l(fā)生機(jī)制

電動汽車使用過程是動力鋰電池的充放電循環(huán)過程，會發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。由于負(fù)極表面SEI膜的熱穩(wěn)定特性，當(dāng)溫度達(dá)到120～140℃時會發(fā)生熱分解。SEI膜分解會使負(fù)極裸露，直接與電解液接觸，發(fā)生劇烈的還原反應(yīng)，并放出大量可燃性氣體，同時釋放出大量的熱。

當(dāng)SEI膜分解釋放的熱使電芯溫度達(dá)到180～200℃時候，正極開始發(fā)生分解。正極分解過程中釋放原子態(tài)氧，原子態(tài)氧的活性很高，會直接導(dǎo)致電解液劇烈氧化分解，短時間內(nèi)電芯積聚大量的熱。

當(dāng)溫度過高或充電電壓過高時，發(fā)生潛在的放熱副反應(yīng)，熱量聚集時，電芯溫度和壓力急劇上升，導(dǎo)致熱失控發(fā)生，其中正極熱分解量最大。不同正極材料的電芯熱穩(wěn)定性不同，三元材料的電芯熱分解相對較低，磷酸鐵鋰在200～400℃時基本不分解，隨著鎳含量的增加，高鎳三元正極熱分解溫度越來越低，放熱量越來越大，溫度在120℃左右就開始發(fā)生熱分解。

當(dāng)動力鋰電池散熱性能不達(dá)標(biāo)，化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量使溫度升高，促使化學(xué)反應(yīng)速率呈指數(shù)級增大，系統(tǒng)進(jìn)入自加溫狀態(tài)，發(fā)生熱失控。另外，電芯都裝配有泄壓閥，動力鋰電池也會配備防爆閥，當(dāng)電池壓力達(dá)到6～8Pa時會泄壓。在泄壓過程中，電解液的閃點(diǎn)很低，電解液蒸氣在噴出時，與防爆閥的摩擦足以導(dǎo)致動力鋰電池燃燒。由此可見，動力鋰電池起火的特點(diǎn)是不會發(fā)生劇烈爆炸，但具有燃燒迅速的特點(diǎn)。

2.3 動力鋰電池起火過程

為驗(yàn)證電動汽車動力鋰電池的起火過程，筆者與研究人員進(jìn)行了某型號動力鋰電池的熱失控過程驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備包括電池包監(jiān)控上位機(jī)、加熱片、萬用表等。動力鋰電池參數(shù)，見表2所示。試驗(yàn)內(nèi)容包括：電池模組和電池包的單顆電芯熱失控發(fā)生的條件；熱失控后擴(kuò)散的進(jìn)程和范圍；電池包進(jìn)水后的放電情況及放電過程中出現(xiàn)的異常情況。試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)與現(xiàn)象，見表3所示。

使用加熱片對動力鋰電池中的單顆電芯進(jìn)行1.7h加熱。加熱1h時,溫度到達(dá)125℃，后續(xù)溫度一直保持不變，其間電芯有炸裂聲，但聲音不明顯。試驗(yàn)結(jié)束后，該電芯防爆閥開啟，沒有發(fā)生爆炸和引起周邊電芯熱失控，電池包完好，如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，單電芯熱失控不一定會引起整包熱失控。

使用加熱片對動力鋰電池模組中間處的電芯進(jìn)行加熱，見表4所示。在加熱5min后，開始出現(xiàn)異常現(xiàn)象，此時溫度為185.6℃，在9min后停止加熱，由于反應(yīng)不斷進(jìn)行，模組溫度達(dá)到512.3℃時出現(xiàn)明火，火勢迅速蔓延至整個模組，如圖3所示。

使用加熱片對動力鋰電池中的模組進(jìn)行加熱，電芯在受熱到210℃時發(fā)生劇烈反應(yīng)（此過程4min左右），出現(xiàn)泄氣或炸裂現(xiàn)象，同時1min內(nèi)周邊電芯開始發(fā)生連鎖反應(yīng)，發(fā)生間斷炸裂。12min后，電池包內(nèi)壓強(qiáng)增加，電池出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。電池包泄壓導(dǎo)致電池包內(nèi)劇烈反應(yīng)出現(xiàn)明火，歷時20min左右，說明動力鋰電池起火具有火勢猛烈、蔓延迅速的特點(diǎn)，如圖4所示。

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單體的熱失控會引發(fā)模組的熱失控從而導(dǎo)致整個鋰電池的熱失控，其起火過程如圖5所示。

3動力鋰電池滅火技術(shù)

3.1滅火器的選擇及種類配置

根據(jù)GB50140-2005《建筑滅火器配置設(shè)計規(guī)范》，汽車充電站屬于E類火災(zāi)場所，其最大保護(hù)距離和單具滅火器最低配置不應(yīng)低于A類火災(zāi)的規(guī)定。E類火災(zāi)可采用磷酸銨鹽干粉滅火器、碳酸氫鈉干粉滅火器或二氧化碳滅火器。根據(jù)T/CSAE84-2018《電動汽車火災(zāi)事故救援規(guī)程》規(guī)定，考慮到插電式混合動力汽車及純電動汽車鋰電池內(nèi)部燃燒特點(diǎn)，磷酸銨鹽干粉滅火器無法達(dá)到持續(xù)降溫的目的，滅火效果不佳，建議選用二氧化碳滅火器和水基型滅火器。

3.2滅火操作

動力鋰電池起火具有高熱量、火勢猛烈、蔓延迅速、只燃燒不爆炸、火勢難以撲滅的特點(diǎn)。筆者建議：一是火災(zāi)初期可采用水基型滅火器進(jìn)行控制；二是針對燃燒產(chǎn)生大量的熱量，在斷電情況下對電動汽車用大量的水進(jìn)行降溫、控火，防止向毗鄰區(qū)域蔓延；三是用河沙對起火電動汽車底部進(jìn)行覆蓋，控制火勢蔓延。

3.3安全管理注意事項

（1）設(shè)置位置?？紤]到電動汽車的火災(zāi)危險性及滅火難度，電動汽車及充電樁最好設(shè)置在室外，如確需設(shè)置在室內(nèi)及地下車庫，應(yīng)集中設(shè)置，并與其他車庫之間進(jìn)行有效的防火分隔，相鄰兩個充電樁之間應(yīng)保持相應(yīng)的防火間距，不宜小于2m。

（2）配齊設(shè)施。按照要求配置相關(guān)數(shù)量的滅火器材和固定消防設(shè)施，根據(jù)實(shí)際情況配備室內(nèi)外消火栓系統(tǒng)、移動式干粉（水基型）滅火器、河沙和相關(guān)監(jiān)控設(shè)備。

（3）電源管理。充電樁配電箱的電源控制開關(guān)應(yīng)統(tǒng)一管理，在緊急情況下能第一時間斷電，防止火勢蔓延擴(kuò)大，同時為滅火救援提供安全保障。

（4）其他管理要求。充電區(qū)域應(yīng)制定統(tǒng)一的操作規(guī)程和安全宣傳欄，充電期間原則上不準(zhǔn)離人，并設(shè)置監(jiān)控設(shè)備和微型消防站，出現(xiàn)異常時第一時間發(fā)現(xiàn)并處置，及時報火警。