衛(wèi)晨晨 袁樹杰

（安徽理工大學安全科學與工程學院）

0 引言

鋰離子電池由于擁有高效的能源儲備和循環(huán)性能，近些年來得到了大力發(fā)展，在便攜式設備如手機、平板、智能手表上大規(guī)模使用，且隨著新能源汽車的大力發(fā)展，鋰離子電池發(fā)揮了巨大的作用。此外，鋰離子電池相較于其他電池體系還擁有高能量比、低記憶性、高輸出電壓以及較好的安全性等優(yōu)勢，占據(jù)了電池行業(yè)大部分的市場。然而，鋰離子電池在受到擠壓、針刺、過充及過熱的情況下易發(fā)生熱失控，易造成電池安全閥破裂，同時釋放出易燃易爆且有毒有害氣體，如一氧化碳、氟化氫、甲烷和氫氣等，從而發(fā)生火災甚至爆炸，對人的生命財產安全造成嚴重威脅。目前缺乏合適的針對鋰離子電池火災的滅火系統(tǒng)，發(fā)生火災通常使用水進行冷卻滅火，該方法效率低下且浪費水資源，在火勢撲滅之后又易發(fā)生鋰離子電池復燃，因此尋找一種合適的滅火劑對鋰離子電池滅火十分重要。本文總結了細水霧技術在抑制鋰電池熱失控方面的應用研究，并指出現(xiàn)存研究的不足之處。

1 鋰電池熱失控及其燃燒特性

有許多種情況可以導致鋰電池進入熱失控。機械濫用造成鋰電池內芯部分斷裂而發(fā)生短路，電濫用以及熱濫用使鋰離子電池溫度升高，若內部產生的熱量大于散失的熱量，造成熱量積累，最終溫度達到熱失控臨界溫度，鋰電池發(fā)生熱失控并釋放大量熱和易燃易爆氣體導致火災發(fā)生。國內外學者通常采用測量鋰電池的表面溫度和電池電壓來預測鋰電池熱失控發(fā)生及其發(fā)展階段。通過表面溫度可測量得到鋰電池的初始失控溫度、最高失控溫度、升溫速率等參數(shù)，電壓在鋰電池熱失控的不同階段呈現(xiàn)出不同的值；此外還可通過測量鋰電池質量損失、燃燒時火焰狀態(tài)、燃燒室內壓力等參數(shù)判斷熱失控嚴重程度。Wang[1]等使用NBT電池測試系統(tǒng)測量了四種不同正極鋰離子電池熱失控初始溫度和最高溫度，發(fā)現(xiàn)其隨著荷電狀態(tài)（SOC）的變化而變化，正極材料為鎳鈷錳酸鋰的鋰電池最高溫度可達695℃，足以點燃周圍可燃物。在以多節(jié)鋰電池為單位包裝的電池組中，若其中某節(jié)鋰電池發(fā)生熱失控可以導致周圍鋰電池進入熱失控，稱為熱失控傳播。電池組進行熱傳播時，熱量主要通過熱傳導、熱輻射的方式進行；Fang等[2]分析了不同電池間距對不同SOC熱失控傳播的影響，揭示了傳播路徑和所需最小能量。除了改變鋰電池外部環(huán)境進而抑制鋰電池熱失控的方法，還為鋰電池開發(fā)了熱管理方法，如空氣冷卻、液體冷卻、相變材料（PCM）冷卻等方法進行鋰電池模塊降溫以及提高溫度均勻性，然而這些方法均有其弊端。因此鋰電池在發(fā)生短路溫度上升時，這些方法難以有效地將溫度降至熱失控臨界溫度以下，從而發(fā)生因鋰電池熱失控造成的火災，且鋰電池火災具有滅火難度大、熱值高的特點，目前缺少有效針對鋰電池火災的滅火劑。

2 細水霧抑制鋰電池火災

2.1 純水細水霧抑制鋰電池火災

水基滅火劑可分為純水、細水霧、泡沫等。其中細水霧是指在工作壓力范圍內99%的液滴直徑小于1000微米的水霧，與常規(guī)的噴水和注水相比，細水霧具有節(jié)能、無毒、效率高等優(yōu)點，其通過冷卻潤濕電池表面、降低熱輻射對火焰的動能影響，結合稀釋氧氣的方式撲滅火災，其中冷卻和稀釋氧氣起主導作用。根據(jù)Zhang等[3]的實驗，足量的細水霧，可有效降低鋰電池溫度防止熱失控傳播，水壓增加可提高細水霧瞬時冷卻能力，但若細水霧使用量有限熱失控仍會發(fā)生傳播；Liu等[4]研究表明細水霧具有良好的冷卻性能，可以防止和抑制熱失控傳播，但必須滿足電池內部加熱功率低于細水霧冷卻功率以及電池表面溫度必須得到良好的控制這兩個條件。通過進一步研究發(fā)現(xiàn)，在低于熱失控臨界溫度20℃時釋放細水霧滅火劑，可以較好地控制熱失控，但隨著SOC的增加抑制難度增大；Xu等[5]對比研究了CO2、HFC-227ea和細水霧對鋰電池火災的滅火效果以及不同初始溫度下細水霧對鋰電池熱失控的影響，結果表明細水霧在這三種滅火劑中效果最佳。

2.2 含添加劑細水霧抑制鋰電池火災

為了進一步提高細水霧的滅火性能，在水中添加各類不同種類和濃度的添加劑成為首選。添加劑通過物理和化學性能兩方面改變細水霧滅火性能，其中物理性能方面包括增加細水霧吸熱能力、提高沸點以及改變表面張力以增加滲透能力，然而添加劑對細水霧的顯著提升主要依賴于改變其化學性能；添加劑受熱分解過程中吸收熱量、釋放自由基阻斷鏈式反應、降低有毒氣體濃度以及覆蓋可燃物表面隔絕氧氣。含添加劑細水霧在抑制鋰電池火災方面近年來也頗為關注。Zhu等[6]進行了含表面活性劑細水霧對抑制鋰電池熱失控的影響研究，結果表明加入表面活性劑能迅速降低火焰溫度，縮短滅火時間，滅火能力明顯增強，同時單烷基醚磷酸鉀和脂肪酸酯聚氧乙烯醚可吸附CO、CH4等可燃氣體，提高滅火性能；周征等[7]研究了不同表面活性劑對細水霧抑制鋰電池火災的影響，并通過對比分析復配了陰離子-非離子表面活性劑溶液；張青松等[8-9]實驗發(fā)現(xiàn)含有表面活性劑和化學添加劑的復合添加劑可以降低表面張力，并與自由基結合，提高水霧對鋰電池熱失控的抑制能力，并且研究了物理添加劑和化學添加劑抑制鋰電池熱失控的最佳濃度，發(fā)現(xiàn)0.16%FC-4和0.32%尿素效果最佳。

3 結束語

本文綜述了鋰電池發(fā)生熱失控的主要原因，影響熱失控嚴重程度的因素，細水霧在鋰電池火災方面的應用。

通常，鋰電池的熱失控主要是由熱濫用、過度充放電、機械損傷引起。這些因素會造成電池內部短路，從而使內部發(fā)生不良化學反應釋放大量熱，進而誘發(fā)熱失控，在此過程中，鋰電池會產生大量有毒有害氣體以及噴射式火焰，危害人們的生產生活安全。

由于鋰電池熱失控特性，一旦發(fā)生火災將難以控制，在這種狀況下，滅火劑需要擁有較高的冷卻能力和迅速撲滅明火的能力。相比于氣體滅火劑和干粉滅火劑，細水霧在滅火性能和環(huán)境友好性方面達到了理想的平衡，然而國內外眾多學者大多集中在單電池或少量并排放置的電池熱失控火災上，對細水霧抑制不同連接方式的鋰電池火災研究較少，存在一定的模型偏差，對鋰電池火災的抑制機理沒有準確的定論。為了提高細水霧滅火性能，細水霧添加劑是較好的研究方向，然而較多集中于在氣體防滅火方面的研究，應用于鋰電池火災的研究較少。