锂离子电池火灾事故的原因分析及灭火救援对策研究

尹飞鸽 钟文治 柯桂洲

摘  要：伴随新能源锂离子电池的普遍应用，在此方面所产生的安全问题也越发暴露出来，尤其是锂电池的安全性，更是应作为分析和研究的重要内容，由于锂离子电池在生产、储存、运输、使用的过程中，都有发生火灾的隐患，且燃烧速度快、温度高、发烟量大，这自然会增加火灾扑救难度。基于此，本文以锂离子电池火灾事故的原因分析为出发点，而后探讨了锂离子电池火灾事故的灭火救援对策，最后对于其发展前景进行了一定探讨。

关键词：锂离子电池 火灾事故 原因分析 灭火救援 策略 研究

中图分类号：TU998                          文献标识码：A                  文章编号：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，虽说锂离子电池的续航时间越发延长，但电池爆炸、自燃等状况的发生率也越发提升，无疑会影响到相关用户、企业的安全性，相较于传统的锂电池，锂离子电池能够利用于可嵌锂碳材料代替以往的金属锂作为负极。并且，因锂离子电池之中的氧化剂与可燃材料二者是一同存在的，若是产生高温或是过充的情况，那么则易于导致热失控状况的发生，更甚会诱发火灾事故产生。所以，积极解决此方面所产生的安全问题，则能够作为冲破电池持续性发展瓶颈的一项关键举措。

1  锂离子电池火灾事故的原因分析

1.1 过充对于锂离子电池产生的影响

对于此方面的研究人员来说，已对于锂离子电池的主要组成原理、热反应机理等方面实施了大力的实验分析及研究[1]。王宏伟等人对于锂离子电池在各种温度状态之下过放过充的变化方面进行了研究，并以-30℃、20℃及40℃作为主要的代表，逐一实施了过充过放实验，而最终的实验结果表明温度越高，那么过充的危险性则会越大，也会更加提高电池的温度。段冀渊等人对充电循环对于电池过充所产生的影响进行了分析和研究，而最终的结果表明循环的频率越快，那么电池爆炸的节点则会越早，这则为电池在进行过几次的充电与放电之后，对于其内部结构所产生的微小伤害，而这种伤害在大倍率过程的状况之下就会加以暴露，而后就会影响到电池所具备的安全性。

在人们平日的生活之中，过充这一隐患问题较为易于发生，在过充时对于锂电池来说，其电压会不能控制不断升高，而对于贫锂情况之下的正极材料来说，则会迅速分解放热，若是正极电势上升到电解液氧化分解电势时，那么最终就会导致电解液氧化分解释放不少的热量及气体[2]。袁庆峰对于32Ah锂离子电池的过充性实施了分析及研究，在研究过后，则显示在起火之前，电池内温度相较于外温度来说，要明显更高，而这则表明电池内部热量的快速累积为电解液反应的最终结果，而此反应易于使电池温度、内压快速升高，致使电池产生破裂的状况，更甚者会导致火灾及爆炸事件的发生。郑葳对于10Ah锂電池在各种倍率状况之下的过充状况进行了分析和研究，而后则发现在几何中心位置为电池的最高温度，同时正极柱的实际受热率要明显大于负极柱，二者的表面温度要显著大于其他表面的温度。

1.2 短路对于锂离子电池产生的影响

对于锂电池来说，电解质及电极材料都属于易燃物品，也易于产生损坏的情况，致使电池短路状况的发生，锂电池之中的能量会以热这一形式加以释放，而此种迅速放热的方式，会导致电池温度快速上升[3]。在高温状况之下，则会导致电解液出现燃烧的状况，进而则会导致电池被燃烧，若是周围存在易燃的物品，那么就会导致爆炸状况的发生，无疑会威胁到周围人们的生命安全。

第一，锂枝晶。在过充的情况之下，会使得锂电池负极表面沉积不够均匀，而后就会导致枝晶发生，在此情况下，锂枝晶生长会非常快速，在折断之后则会形成死锂，进而就会导致其不可逆，若是尖锐枝晶对于隔膜产生了穿透的情况，那么就会导致正负极产生短路的状况，同时还会处在自放电的情况之下，在热量大量积聚之后，则会导致锂电池着火，更甚会导致爆炸状况的发生。

之所以会导致锂离子电池过热状况的发生，主要是由于过充而导致的，锂金属结晶会导致产生微短路的状况，然后就会导致电池温度升高，使得电解液气化电池内部产生氧化反应，导致电池燃烧，在深化分析之后，则体现为过度充电导致的燃烧，并非绝对产生于电池充电的情况之下，也易于产生在材料没能够燃烧的情况之下，在内部热量聚集至自然温度后，则易于产生自燃现象，而后则导致爆炸事件发生。对于锂电池来说，若对其过放电，则会致使负极碳片结构产生塌陷的状况，在下一次进行充电时，则会导致内部发生短路的状况，进而则会引发火灾。

第二，隔膜缺陷。高飞等人利用于AHP法，对于锂离子电池火灾危险的影响因素实施了分析和计算，最终发现隔膜为一项重要的因素。究其原因，主要是由于生烟性参数值含量较为大，不完全燃烧的隔膜会致使烟气较多，会对人体的呼吸道产生一定的刺激性，会影响到灭火救援工作的救援效果[4]。并且在具体切割期间，锂电池极片宽的边缘还易于产生切割之后的一些毛刺，若是产生的毛刺刺穿了隔膜的情况，则会导致电池产生短路的状况，利用于有机涂层或者是无机涂层，可在较大程度上优化隔膜的实际性能，也能够防范在切割之后所产生的毛刺致使产生较多的安全隐患问题，如此能够优化电池的安全性能。

有不少研究人员利用聚丙烯及聚乙烯等制作出了合金料制备的隔膜，这种隔膜的稳定性明显更高，但不可否认的是，其虽可下降闭孔的温度，然而在运用期间的均匀性却较为不足。隔膜的强度及安全性二者之间存在着尤为紧密的联系，若能够加入高聚合度混合物则能够显著增强膈膜的强度，并且对于孔径较小的层来说，还利于控制金属锂生长，使得锂电池可更为具备安全性。

2  锂离子电池火灾事故国内的灭火救援对策研究

2.1 科学选择灭火剂

在高温状态之下，锂金属的反应活性非常高，若是单一运用于冷却灭火剂或是化学抑制的方式，那么则会导致灭火器不能够在锂金属表面之上形成一层覆盖层，若是停止运用灭火剂，那么金属则易于复燃[5]。现阶段，主要是运用于铜粉灭火剂来进行灭火，这主要是由于铜粉在进行反应之后，能够形成铜锂合金，钝化液态锂表面，产生灭火的作用。再者，还可以快速散出燃烧之后所形成的热量，确保锂快速降温，这样也能够下降燃烧的强度，保证锂电池火灾的救援效果。

2.2 重视保持安全距离

以锂电池生产来说，要求现场指挥者务必要迅速和技术工作者之间加以沟通和联系，具体化的了解到锂电池的主要类型、数量，做到科学运用灭火剂，还应认真观察，科学规划好消防车辆的路线，观察是否存在爆炸的可能性，重视保持安全距离，也应合理发出相应指令，快速撤出战斗，这样才更利于保障消防人员的安全性。

2.3 监控热失控温度

在产生锂电池火灾之后，务必要增多现场的用水量，还需控制电池的温度，借助于水枪或是喷雾实施充分的冷却，控制电池表面的温度[6]。并且，对于内部的温度来说，也需实施充分的控制，这样可在较大程度上降低电解液的排气，防范电池内部产生复燃的状况，利于确保电池的安全性。所以，务必要监控热失控温度，这样更利于保障锂离子电池火灾事故的救援效果，在最大程度上防范危及到人员的生命及财产安全。

2.4 避免救援中破拆车体的危险性

在破拆锂离子电动汽车的救援过程中，在对电池组分布及车体构造不明确的情况下，破拆具有较强的危险性。在开展电动汽车破拆实验的过程中，在切割和破拆电池组的环节均出现了剧烈的反应，严重情况下会发生爆炸。而在进行实际救援工作中，也出现了未知车体构造的情况下，导致切割电池组的时候发生了人员伤亡情况。因此，为杜绝上述问题发生，需要在破拆之前，对电池组的分布情况及汽车的构造有了充分的了解，还需要对车体上部进行优先破拆，对车体后部和底部的破拆应谨慎，必要情况下则无需破拆，以此避免出现破拆风险，提高火灾救援的安全性[7]。

2.5 避免救援中射水的导电性

较比传统汽车，锂离子电动汽车系统具有较大差别，在车体内具有高压电气系统，因此，可以对其进行有效利用。国外研究表示，在对锂离子电动汽车整车火灾实验进行检测环节，需要对灭火水枪枪口进行定时的电气测量，在水枪枪口的电压、电流在额定安全值的情况下，则表示可以通过大量射水的方式对锂离子电动汽车的火灾进行救援。

3  锂离子电池火灾事故国外的灭火救援对策研究

在国际方面，NFPA（美国消防协会）在研究以锂离子电动汽车为代表的新能源电动汽车的危险性方面较为领先，比国内开展的锂离子电池火灾事故更早。为更加高效地开展灭火救援工作，NFPA先对锂离子电池发生火灾的原因进行了分析，由于电池内部故障而引发热失控，灭火系统对热失控无法阻止，并且，由于在电芯单元之间不具备多层隔热保护，进而导致级联热失控。这是导致火灾的主要原因，在发生火灾过程中，若是处于早期阶段，应通过现有灭火系统对火势进行处理。而在火势比较严重的情况下，应使用ABC干粉灭火器灭火。此外，NFPA的锂离子火灾救援体系十分精准化，在灭火时由于锂离子电池着火约24h才能完全扑灭，因此，会使用热成像摄像头进行辅助灭火，以此对锂离子电池进行监控，直到确保不再冒烟后再观察最少1h，才能确保火势被完全扑灭。再者，若电池的温度较高，会释放和泄露电解质，而电解质是易燃品，这时可以利用大量的水进行灭火，且没有触电安全。

4  结语

总而言之，锂离子电池所具备的优势较多，如能量密度高，具备绿色环保性，同时充放电的时间还较短，所以在现阶段已然是最具优势的电池体系。但锂离子电池火灾事故却易于发生，而在分析原因之后，发现许多因素均会致使锂离子电池火灾事故的发生，对此积极探索和分析灭火救援的对策就显得尤为关键，这则包括科学选择灭火剂，重视保持安全距离及监控热失控温度等，从而真正保障灭火救援的效果。并且，还应采取切实可行的方式，尽可能地预防锂离子电池火灾事故的发生。

参考文献

[1] 纪常伟，王兵，汪硕峰，等.车用锂离子电池热安全问题研究综述[J].北京工业大学学报，2020，46（6）： 630-644.

[2] 李煌.三元锂离子电池热失控传播及阻隔机制研究[D].合肥：中国科学技术大学，2020.

[3] 庞敏，鲁义，施式亮，等.锂离子电池火灾风险管控研究现状分析[J].安全，2020，41（2）：61-64，72.

[4] 黄沛丰，刘家亮，金翼，等.基于火三角模型的锂离子电池火灾事故树分析[J].安全与环境学报，2018，18 （1）：66-69.

[5] 郭志刚.浅议锂离子电池火灾事故危险性及火灾预防对策[J].广东公安科技，2017，25（3）：52-53，72.

[6] 周会会，宋鹏，苏文彬.鋰离子电池火灾事故的原因分析及对策研究[J].电池工业，2017，21（4）：25-28.

[7] 郭志刚.浅议锂离子电池火灾事故危险性及火灾预防对策[J].广州化工，2017，45（14）：216-217.