■ 莊軍 浦東新區(qū)消防救援支隊

一、鋰離子電池火災案例

2012年，埃塞俄比亞航空的波音787 飛機在希思羅機場發(fā)生火災，起火的原因為飛機內鋰電池短路。

2019年6月11日，云南省大理古城內一處民房發(fā)生火災，6 人不幸遇難。經調查，火災原因是鋰電池在充電過程中起火蔓延成災。

2020年7月8日，上海閔行區(qū)東川路811 弄文馨苑15 號一門面店發(fā)生火災。經調查，起火原因系電動自行車鋰離子蓄電池在充電過程中發(fā)生故障，引燃周圍可燃物擴大成災并造成2 人死亡。

2020年10月10日6 時59 分，上海市浦東新區(qū)塘橋新路一門面店發(fā)生火災。此次火災導致該店鋪3 人遇難，2 人受傷。起火原因系電動自行車鋰電池在充電過程中故障起火引發(fā)火災。

2021年1月25日，北京市一民房發(fā)生火災，導致一對年輕的夫妻身亡。經調查，原因為攜帶電動自行車蓄電池回家充電所致。

上述火災的起火源均為鋰離子電池。

二、鋰離子電池的構造和工作原理

鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜和電解液組成。正極層和負極層緊密地卷在一起。各層之間用絕緣體隔開。正極和負極都浸在電解液中。鋰離子電池是以碳材料為負極，通常是石墨；以含鋰化合物為正極，沒有金屬鋰，只有鋰離子。鋰離子電池實際上是一種鋰離子濃差電池，其工作原理是利用電子的得失和鋰離子的遷移聚集來實現電能的存儲。當電池充電時，鋰離子在電池的正極上產生，產生的鋰離子通過電解液移動到負極。作為負極，碳具有多微孔的層狀結構。到達負極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中。嵌入鋰離子越多，充電容量越大。類似的，當電池放電時，即在使用電池的過程中，嵌在負極碳層中的鋰離子出來并移回正極。鋰離子返回正極越多，放電容量越大。電極材料決定電池的電壓和容量。電解液作為鋰離子電池的重要組成部分，在電池充放電過程中起著傳遞電流的重要作用。為了防止浸泡在電解液中的正負極材料相互接觸而發(fā)生短路，采用聚烯烴分離器將正負極材料分開。

三、鋰電池的火災危險性

（一）鋰電池中的鋰金屬化學性質十分活躍，是易燃物質。經過處理后會降低活性。在鋰電池正負極之間，還有一層金屬薄膜，可以防止電池內部短路。而電池都是密封的，鋰離子根本沒有機會和空氣直接接觸，從而有效保證了電池的安全。但是如果電池受到外界撞擊，密閉性被破壞，和空氣接觸，就會跟空氣中的水發(fā)生猛烈的化學反應，瞬間產生大量的氫氣，并釋放出熱能，極易引起燃燒和爆炸。

（二）鋰電池的充放電就是鋰離子的來回轉移，在充電的過程中鋰離子被還原成金屬鋰鍵入負極，一般情況下，鋰會嵌入層間結構中。但由于生長的不確定性，鋰可能會在電極表面生長，并且生長層像樹枝一樣的刺狀結構（鋰枝晶），它會破壞電池內部的隔膜，引起電池內部短路和電池爆炸。

（三）如果電池隔膜在生產過程中存在缺陷，金屬鋰顆粒穿過電池中的隔膜絕緣層便將正負極連接起來形成短路，改變了電流的方向，就會產生大量的熱量，這些熱量會降解內部的材料，使化學反應失去控制，釋放更多的熱量，進而引燃電池組件。

（四）鋰電電池中的保護系統或者電池充電器損壞時，一旦充電電壓高于額定電壓（一般是4.2V），繼續(xù)充電就會導致過充現象。此時，剩余在陰極材料中的鋰離子繼續(xù)被去除并嵌入到陽極材料中。如果達到碳陽極的最大嵌鋰容量，多余的鋰會以金屬鋰的形式沉積在陽極材料上，這大大降低了電池的穩(wěn)定性，有時還會導致爆炸。

在行業(yè)快速發(fā)展的情況下，一些鋰電池生產企業(yè)由于粗制濫造和打產品價格戰(zhàn)，以及對電動自行車等電動工具進行非法改裝，忽視了對電池的保護，這也為鋰電池的安全使用埋下了隱患。

四、鋰電池安全使用的解決方案

（一）對于鋰電生產廠家來說，優(yōu)質的鋰電池采用堅固的外殼防護，通常配以不銹鋼外殼和鋁合金外殼，甚至采用了鈦合金防護板，以防止使用中對電池容器產生損傷。

（二）鋰電池內部電芯如果出現內短路，會導致溫度升高、電芯內部反應產熱最終出現熱失控，隨后蔓延到整個電池包。電芯安全解決的是電池本質安全，通過上面的分析，應重點研究電池隔膜應用，如凝膠電解質和聚合物電解質，特別是聚合物電解質的開發(fā)，使電池沒有液體有機電解質揮發(fā)，加強電池內部隔膜牢固度，并最大限度消除隔膜缺陷，提高電池的安全性穩(wěn)定性。

（三）在鋰電池充電時，一定要設定電壓上限和過充保護，當電壓超標或電量充滿時自動斷電，一般的做法是在電池的安全帽內安裝PTC 聚合物開關或防爆安全閥等措施，這類防過充電子保護裝置，在國家強制標準中得到應用。

（四）目前，鋰電池安全的共識已從單一安全轉向系統安全，提高電池組的安全性能已成為業(yè)界的主流趨勢。全包安全是以系統的思想解決從單元、模塊到系統的全方位安全問題。它不僅是一個純粹的結構優(yōu)化，也不是一個簡單地增加隔熱。它是一套從小區(qū)本身到被動安全增強，再到軟件主動防控的安全技術。它也是一種軟硬件集成、超高防御能力的智能安全技術?；凇胺乐闺姵貎榷搪?、防止短路后熱失控、防止熱失控后熱蔓延”的設計思想，采用類似安全艙的設計，有效地阻止了熱失控電池的蔓延。當檢測到電池電壓或溫度異常時，電池快速冷卻系統會自動啟動以冷卻電池。合格的電子保護裝置和成熟的電池管理系統大大降低了鋰電池自燃的概率。

（五）鋰電電池的使用環(huán)節(jié)，以電動自行車為例。鋰電池電動車停放或充電時嚴禁置于室內、通道或樓梯間，要選擇通風、散熱好的環(huán)境進行充電；充電時間應按照產品說明書規(guī)范充電；充電線路要使用專用的固定電源進行充電，嚴禁私拉亂接線路，嚴禁飛線充電；選購電動車要選擇大品牌、質量合格的正規(guī)產品。嚴禁私自改裝電動車，定期對電動車進行維修和保養(yǎng)；要選擇原裝充電器，嚴禁使用劣質或不匹配的充電器。

五、鋰電池的展望

高倍率和高容量以及良好的循環(huán)性能是鋰電池的主要發(fā)展趨勢，在保證安全性的條件下，通過制備工藝改進以及優(yōu)化電池材料性能，對電池的冷卻系統、電芯設計、整包布置等方面進行全面優(yōu)化，為實現鋰電池高安全、高容量、高便利、低成本等商用目標具有重大的意義。