徐超航，曹文強(qiáng)，王思溢，易 杰，喻 航，朱小龍

(1.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070;2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230026)

隨著科技的快速發(fā)展，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)受到廣泛關(guān)注，其中鋰離子電池以其能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為便攜式電子設(shè)備、新能源汽車和大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域中最具競(jìng)爭(zhēng)力的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)之一。但鋰離子電池頻頻引發(fā)火災(zāi)事故，造成了重大傷亡、財(cái)產(chǎn)損失及惡劣的社會(huì)影響，安全問題極大阻礙了鋰離子電池技術(shù)的廣泛應(yīng)用[1-4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋰離子電池滅火介質(zhì)開展了大量研究工作。LIU等[5]研究全氟己酮滅火劑對(duì)鋰離子電池火災(zāi)的抑制效果,發(fā)現(xiàn)全氟己酮可有效撲滅電池表面明火,但對(duì)鋰離子電池的冷卻效果不佳,可能會(huì)發(fā)生復(fù)燃現(xiàn)象。李毅等[6]開展了干粉、二氧化碳、水成膜泡沫滅火劑及細(xì)水霧等不同滅火劑對(duì)鋰離子電池火災(zāi)的滅火實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)二氧化碳、ABC干粉、3%的水成膜泡沫滅火劑均能有效撲滅18650型鈷酸鋰離子電池火災(zāi)的明火，但滅火后均出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象,出現(xiàn)復(fù)燃的時(shí)間與滅火劑的冷卻能力成正比。劉昱君等[7]搭建了可用于多種滅火介質(zhì)的滅火測(cè)試平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)得出抑制鋰離子電池火災(zāi)溫升效果最佳的滅火介質(zhì)是水，其次是全氟己酮，效果最差的是CO2。張堅(jiān)等[8]研究了七氟丙烷滅火劑在不同噴射方式下對(duì)磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池火災(zāi)的滅火效果，發(fā)現(xiàn)在不同噴射方式下，七氟丙烷均可在8 s內(nèi)撲滅明火，但滅火效果存在一定差異，當(dāng)垂直噴射時(shí)，撲滅明火僅用2 s，瞬時(shí)降溫速率最大可達(dá)43 ℃/s，抑制復(fù)燃時(shí)間最長(zhǎng)。綜上可知，目前針對(duì)鋰離子電池火災(zāi)滅火介質(zhì)的研究對(duì)象主要是CO2、干粉、細(xì)水霧、七氟丙烷等，而上述滅火介質(zhì)均不能完全達(dá)到快速撲滅明火、有效抑制復(fù)燃、價(jià)格成本低等要求。

鋰離子電池火災(zāi)具有“釋放可燃?xì)怏w”和“持續(xù)高溫”的特點(diǎn)[9-12]，與一般材料火災(zāi)有著顯著差異，傳統(tǒng)滅火介質(zhì)不具備熄滅氣體火災(zāi)并同時(shí)持續(xù)降溫的特性，無法有效抑制和熄滅鋰離子電池火災(zāi)。因此，研發(fā)出一種針對(duì)鋰離子電池火災(zāi)燃燒特點(diǎn)的新型防滅火材料，對(duì)鋰離子電池技術(shù)的安全應(yīng)用具有重要意義。凝膠泡沫材料兼具凝膠和泡沫的滅火特性，可在熄滅鋰離子電池氣體火災(zāi)后，包覆在電池表面對(duì)電池進(jìn)行持續(xù)降溫，即同時(shí)具備熄滅氣體火災(zāi)和持續(xù)冷卻降溫的特點(diǎn)，滿足高效抑制鋰離子電池火災(zāi)的實(shí)際要求；凝膠泡沫滅火劑成本較低，可在電動(dòng)汽車充電樁、儲(chǔ)能電站等場(chǎng)景大規(guī)模使用，具備良好的應(yīng)用前景。

基于上述分析，筆者擬開展新型凝膠泡沫的研制，并測(cè)試其抑制和熄滅18650型鋰離子電池火災(zāi)的效果，以期提高鋰離子電池滅火介質(zhì)的滅火效能，推動(dòng)鋰離子電池滅火技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及裝置

(1)實(shí)驗(yàn)材料：①發(fā)泡劑A的含量為35%；B的含量為90%；C的含量為30%；D的含量為35%；E的含量為70%。發(fā)泡劑均由山東臨沂綠森化工有限公司生產(chǎn)。②膠凝劑J1為食品級(jí)，由阜豐集團(tuán)生產(chǎn)。③交聯(lián)劑J2為食品級(jí)，由浙江一諾生物科技有限公司生產(chǎn)。④電池選用商用圓柱形18650型磷酸鐵鋰電池，容量2 000 mAh，工作電壓2.00～3.65 V，初始電壓3.20 V，由深圳市高倍特科技有限公司生產(chǎn)。

(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備：①JJ-1B型恒速電動(dòng)攪拌器，功率200 W，由時(shí)博儀器有限公司生產(chǎn)。②HZT-A+200/0.001 g型精密電子質(zhì)量分析天平，由美國(guó)華志公司生產(chǎn)。③NDJ-5S型數(shù)字式粘度計(jì)，由深圳市鼎鑫宜實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)。④DHG-9030A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，由上海飛越實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)。⑤燒杯、量筒若干，由蜀牛玻璃儀器有限公司生產(chǎn)。

(3)實(shí)驗(yàn)裝置。鋰離子電池組燃燒滅火實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，可知通過電加熱棒對(duì)電池組進(jìn)行加熱從而引發(fā)電池?zé)崾Э?，利用點(diǎn)火裝置引燃電池組，利用凝膠泡沫滅火劑對(duì)電池組滅火。該裝置為開敞空間，可清晰觀察到電池燃燒狀態(tài)，為保證釋放氣體檢測(cè)的準(zhǔn)確性，使用通風(fēng)抽氣管對(duì)氣體進(jìn)行壓差引導(dǎo)采集，實(shí)現(xiàn)氣體的即釋即采。同時(shí)由數(shù)據(jù)采集裝置采集電池表面溫度及火焰溫度數(shù)據(jù)，由多組分氣體在線監(jiān)測(cè)設(shè)備采集電池釋放氣體濃度數(shù)據(jù)，由高清攝像設(shè)備采集電池在燃燒、滅火過程的影像數(shù)據(jù)。

圖1 鋰離子電池組燃燒滅火實(shí)驗(yàn)裝置

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 發(fā)泡劑發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性能測(cè)定

采用Waring-Blender方法，配制200 ml一定質(zhì)量濃度的發(fā)泡劑溶液，使用電動(dòng)攪拌器以1 500 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌60 s，用發(fā)泡體積衡量發(fā)泡性能，用泡沫的析液半衰期衡量穩(wěn)泡性。

2.2 成膠體系膠凝時(shí)間測(cè)定

分別配置一定質(zhì)量濃度的膠凝劑和交聯(lián)劑溶液，充分?jǐn)嚢杌旌虾螅〕?5 ml的混合溶液倒入50 ml的試管中，以傾斜試管45°時(shí)液面不發(fā)生流動(dòng)的時(shí)間作為膠凝時(shí)間。

2.3 凝膠泡沫發(fā)泡體積和黏度測(cè)定

配置200 ml一定質(zhì)量濃度的發(fā)泡劑和膠凝劑混合溶液，使用電動(dòng)攪拌器以1 500 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌60 s，當(dāng)攪拌時(shí)間為30 s時(shí)，勻速加入一定質(zhì)量的交聯(lián)劑，加入過程的時(shí)間為10 s，攪拌結(jié)束后立刻測(cè)量凝膠泡沫溶液的發(fā)泡體積，并使用黏度計(jì)測(cè)量黏度變化，以黏度變化不超過2%時(shí)的數(shù)據(jù)作為凝膠泡沫最終黏度。

2.4 凝膠泡沫恒溫失水率測(cè)定

取80 ml凝膠泡沫置于180 ℃的干燥箱內(nèi)，恒溫時(shí)間為40 min，每間隔5 min取出并稱重，計(jì)算每5 min的失水率。

2.5 凝膠泡沫滅火性能測(cè)定

鋰離子電池組選用4個(gè)同型號(hào)的18650型鋰離子電池，編號(hào)為L(zhǎng)1、L2、L3和L4。具體操作：①以電加熱棒加熱的方式引發(fā)電池組熱失控，當(dāng)4個(gè)電池均打開安全閥并釋放大量氣體時(shí)，利用電點(diǎn)火裝置引燃電池組；②當(dāng)電池組穩(wěn)定燃燒12 s后，在電池組安全閥上方25 cm處，在20 s內(nèi)勻速傾倒1 500 ml凝膠泡沫滅火劑；③用K型熱電偶采集溫度數(shù)據(jù)，采集點(diǎn)為4個(gè)電池側(cè)面的中間位置及電加熱棒上方5 cm、10 cm、15 cm和20 cm處，采集點(diǎn)編號(hào)分別為CH1、CH2、…、CH8；④通過對(duì)比在施加與未施加凝膠泡沫滅火劑實(shí)驗(yàn)過程中電池組的燃燒效果、溫度數(shù)據(jù)與釋放氣體濃度數(shù)據(jù)，從而測(cè)定凝膠泡沫材料的滅火效能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 單一發(fā)泡劑的選擇

根據(jù)發(fā)泡劑的選擇原則，考慮到環(huán)保、無害等因素，選擇5種表面活性劑(A、B、C、D、E)進(jìn)行發(fā)泡性能實(shí)驗(yàn)。5種發(fā)泡劑在不同質(zhì)量濃度時(shí)的發(fā)泡體積和析液半衰期分別如圖2和圖3所示。

圖2 不同發(fā)泡劑的發(fā)泡體積

圖3 不同發(fā)泡劑的析液半衰期

由圖2可知，隨著發(fā)泡劑質(zhì)量濃度的提高，發(fā)泡體積不斷增加；當(dāng)發(fā)泡劑的濃度達(dá)到0.3～0.6%時(shí)，發(fā)泡體積增加的趨勢(shì)逐漸趨于平緩，這是因?yàn)榘l(fā)泡劑達(dá)到其臨界膠束濃度后，氣液界面已布滿表面活性劑分子，過量的表面活性劑分子將會(huì)形成膠束，其表面張力將不會(huì)再下降。在相同濃度時(shí)，B、D、E具有較高的發(fā)泡性能，在0.5%濃度時(shí)發(fā)泡體積分別為1 086 ml、956 ml和1 063 ml；A、C的發(fā)泡性能相對(duì)較差，在0.5%濃度時(shí)發(fā)泡體積僅為846 ml和880 ml。

由圖3可知，不同發(fā)泡劑在同一質(zhì)量濃度下的析液半衰期存在一定差異。B、D、E在0.3%～1.0%濃度時(shí)析液半衰期較高，均保持在198～298 s內(nèi)；A、C在0.3%～0.6%濃度時(shí)析液半衰期則較低，分別保持在109～255 s和123～187 s內(nèi)，其在臨界膠束濃度范圍內(nèi)不具備良好的穩(wěn)定性。

綜合考慮發(fā)泡體積和析液半衰期的結(jié)果，選擇B、D、E 3種發(fā)泡劑進(jìn)行后續(xù)兩兩復(fù)配實(shí)驗(yàn)。

3.2 復(fù)配發(fā)泡劑的選擇

3.2.1 復(fù)配發(fā)泡劑種類及比例的確定

由圖2可知，B、D、E在0.5%濃度時(shí)兼具較好的發(fā)泡性能和穩(wěn)定性。因此，復(fù)配發(fā)泡劑總質(zhì)量濃度確定為0.5%，將3種發(fā)泡劑按照不同比例進(jìn)行兩兩復(fù)配，測(cè)量其發(fā)泡體積和析液半衰期，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示，可知3種不同的發(fā)泡劑進(jìn)行兩兩復(fù)配時(shí)，當(dāng)復(fù)配比例發(fā)生改變，復(fù)配體系的發(fā)泡體積和析液半衰期均會(huì)發(fā)生不同程度的變化；當(dāng)復(fù)配比例達(dá)到最優(yōu)時(shí)，兩種發(fā)泡劑的發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性將會(huì)相互促進(jìn)；當(dāng)復(fù)配比例不適合兩種發(fā)泡劑時(shí)，復(fù)配體系在一定程度上會(huì)抑制其發(fā)泡性能和穩(wěn)泡性。綜合分析復(fù)配發(fā)泡劑的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：在D和B復(fù)配體系中，當(dāng)D∶B=9∶1時(shí)，發(fā)泡體積為1 016 ml，析液半衰期為1 260 s。盡管該復(fù)配體系的發(fā)泡性能并非最佳，但其穩(wěn)泡性得到了顯著提升且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他體系。因此，凝膠泡沫體系的復(fù)配發(fā)泡劑選用D和B，并按照9∶1的質(zhì)量比進(jìn)行復(fù)配。

圖4 不同復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡體積

圖5 不同復(fù)配發(fā)泡劑的析液半衰期

3.2.2 復(fù)配發(fā)泡劑質(zhì)量濃度的確定

圖6 (D∶B=9∶1)復(fù)配發(fā)泡劑的發(fā)泡體積和析液半衰期

D和B復(fù)配發(fā)泡劑在不同質(zhì)量濃度時(shí)的發(fā)泡體積和析液半衰期如圖6所示，可知隨著復(fù)配發(fā)泡劑質(zhì)量濃度的提高，發(fā)泡體積和析液半衰期也隨之增加；當(dāng)復(fù)配體系的質(zhì)量濃度小于0.4%時(shí)，發(fā)泡體積和析液半衰期的增長(zhǎng)較為明顯，從0.1%的540 ml和134 s增加到0.4%的954 ml和1 497 s；當(dāng)濃度大于0.4%時(shí)，發(fā)泡體積和析液半衰期的變化幅度則較小。因此，復(fù)配發(fā)泡體系的臨界膠束濃度值約為0.4%，以此作為復(fù)配發(fā)泡劑的最佳質(zhì)量濃度。

3.3 膠凝劑和交聯(lián)劑質(zhì)量濃度的選擇

凝膠泡沫的成膠過程是膠凝劑和交聯(lián)劑在泡沫液膜中發(fā)生膠凝反應(yīng)，使泡沫壁形成凝膠?？紤]到鋰離子電池從發(fā)生熱失控到燃燒的時(shí)間，膠凝時(shí)間一般控制在2～10 min為宜。

基于文獻(xiàn)資料和預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇J1和J2分別作為膠凝劑和交聯(lián)劑，測(cè)定不同質(zhì)量濃度下的膠凝時(shí)間，如表1所示?？芍?dāng)J1濃度固定不變時(shí)，膠凝時(shí)間與J2濃度呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)J1濃度分別為0.2%和0.3%時(shí)，J2均存在最低成膠濃度值，且J2濃度分別低于0.5%、0.4%時(shí)，成膠體系無法形成凝膠。根據(jù)實(shí)際滅火的膠凝時(shí)間要求，選擇J1濃度0.2%和0.3%、J2濃度0.6%和0.7%開展后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

表1 不同濃度的膠凝劑和交聯(lián)劑反應(yīng)的膠凝時(shí)間

3.4 凝膠泡沫配方的確定

凝膠泡沫由發(fā)泡劑、膠凝劑、交聯(lián)劑等組分構(gòu)成。根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，確定選用D和B按照質(zhì)量比9∶1且總質(zhì)量濃度0.4%復(fù)配為發(fā)泡劑、J1為膠凝劑、J2為交聯(lián)劑。通過式(1)計(jì)算凝膠泡沫的綜合值，該綜合值可反映凝膠泡沫的綜合性能，如表2所示。

Cov=V×N

(1)

式中：Cov為凝膠泡沫的綜合值；V為凝膠泡沫的發(fā)泡體積；N為凝膠泡沫的黏度。

表2 不同成膠體系下凝膠泡沫的發(fā)泡體積、粘度、析液半衰期與綜合性能值

由表2可知，J1濃度為0.2%時(shí)凝膠泡沫體系的發(fā)泡體積普遍大于J1濃度為0.3%時(shí)體系的發(fā)泡體積，這是因?yàn)镴1濃度較大時(shí)會(huì)導(dǎo)致凝膠泡沫溶液的初始黏度過高，在一定程度上降低溶液的發(fā)泡能力；J1、J2濃度的提高均會(huì)促進(jìn)凝膠泡沫溶液黏度的提升,但在相同的濃度增加量下，J1濃度變化對(duì)凝膠泡沫黏度產(chǎn)生的促進(jìn)作用大于J2。

成膠體系中當(dāng)J1濃度0.3%、J2濃度0.7%時(shí)，凝膠泡沫材料的綜合值最高，析液半衰期超過24 h，綜合性能最佳。因此，凝膠泡沫材料的配方確定為：總質(zhì)量濃度0.4%的活性劑組合(D∶B=9∶1)為發(fā)泡劑；質(zhì)量濃度0.3%的J1為膠凝劑；質(zhì)量濃度0.7%的J2為交聯(lián)劑。

3.5 凝膠泡沫熱穩(wěn)定性研究

凝膠泡沫材料對(duì)鋰離子電池火災(zāi)進(jìn)行滅火時(shí)需具備較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性，才能保證在滅火時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)不被嚴(yán)重破壞，從而保證在高溫下仍具備較強(qiáng)的滅火性能。通過式(2)計(jì)算凝膠泡沫的失水率，以反映凝膠泡沫的熱穩(wěn)定性[13]。實(shí)驗(yàn)中失水率變化如圖7所示。

(2)

式中：φ為凝膠泡沫的失水率；ma為某溫度前凝膠泡沫的質(zhì)量；mb為某溫度后凝膠泡沫的質(zhì)量。

圖7 凝膠泡沫失水率變化曲線

由圖7可知，凝膠泡沫在180 ℃下的失水率隨著恒溫時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸升高。在5～10 min內(nèi)，凝膠泡沫內(nèi)部溫度較低，處于升溫狀態(tài)，失水率變化不明顯；在10～30 min內(nèi)，失水率迅速升高，20 min內(nèi)失水率增長(zhǎng)77.23%；在30～40 min內(nèi)，失水率的增長(zhǎng)趨于平緩，整體水平維持在90%左右。凝膠泡沫內(nèi)部溫度在10 min后達(dá)恒定溫度，高溫加速了水分子的蒸發(fā)；在10～30 min內(nèi)凝膠泡沫仍具有大量的水分，隨恒溫時(shí)間的增加，水分子蒸發(fā)更加劇烈，導(dǎo)致失水率快速增長(zhǎng)；在30～40 min內(nèi)，凝膠泡沫內(nèi)水分含量已大量降低，水分子蒸發(fā)較為平緩，失水率變化趨勢(shì)則較為緩慢。

綜上可知，凝膠泡沫在180 ℃下恒溫加熱10～25 min，其含水率仍然保持在92.84%～32.04%，能夠有效作用于鋰離子電池?zé)崾Э睾蟮母邷貐^(qū)域，降低鋰離子電池?zé)崾Э匾l(fā)火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.6 凝膠泡沫滅火性能研究

3.6.1 特征現(xiàn)象

施加和未施加凝膠泡沫滅火劑的實(shí)驗(yàn)過程(以下簡(jiǎn)稱為施加和未施加凝膠泡沫過程)分別如圖8和圖9所示，可知施加凝膠泡沫過程分為4個(gè)階段：①電池組在加熱棒作用下處于升溫狀態(tài)，加熱一段時(shí)間后4個(gè)電池安全閥分別在341 s、380 s、404 s和423 s打開，釋放出大量煙氣。由于電池與加熱棒接觸面積不同，安全閥打開時(shí)間最大間隔82 s；②電池組安全閥均打開后，在430 s時(shí)引燃電池組，電池組燃燒一段時(shí)間后出現(xiàn)噴射火焰；③在442～462 s內(nèi)施加1 500 ml凝膠泡沫滅火劑，在445 s時(shí)電池組明火熄滅，未出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象；④在凝膠泡沫滅火劑覆蓋下，電池組處于加速降溫狀態(tài)。未施加凝膠泡沫過程也分為4個(gè)階段：①4個(gè)電池安全閥分別在360 s、395 s、422 s和433 s打開；②在440 s時(shí)引燃電池組；③在480～520 s電池組出現(xiàn)噴射火焰，迅速釋放大量氣體；④電池組燃燒強(qiáng)度逐漸減弱，電池組明火在558 s時(shí)熄滅，火焰持續(xù)時(shí)間為118 s，明火熄滅后電池組處于自由降溫狀態(tài)。

圖8 施加凝膠泡沫的滅火過程

圖9 未施加凝膠泡沫的自由燃燒過程

3.6.2 溫度變化分析

(1)電池表面溫度。鋰離子電池組在施加和未施加凝膠泡沫過程中平均表面溫度的變化曲線如圖10所示，可知在未加入凝膠泡沫滅火劑時(shí)，在電加熱棒作用下電池組平均表面溫度快速升高，升溫速率不斷提升，在442 s時(shí)達(dá)到了最高值462.20 ℃；在施加凝膠泡沫滅火劑期間，電池組平均表面溫度迅速下降，溫度從442 s時(shí)的462.20 ℃下降到462 s時(shí)的102.90 ℃，20 s內(nèi)的降低幅度達(dá)359.30 ℃；在施加結(jié)束后，溫度出現(xiàn)小范圍的波動(dòng)后略有回升，從545 s時(shí)的112.1 ℃上升到587 s時(shí)的121.2 ℃，分析原因?yàn)槟z泡沫滅火劑尚未完全抑制電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，伴隨著殘存化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行出現(xiàn)小幅升溫，而后電池組在凝膠泡沫滅火劑的覆蓋冷卻下加速降溫直至35 ℃。

圖10 施加和未施加凝膠泡沫過程電池組平均表面溫度變化

對(duì)比圖10(a)和圖10(b)可知，加入凝膠泡沫滅火劑前，鋰離子電池組在施加凝膠泡沫和未施加凝膠泡沫過程中平均表面溫度變化趨勢(shì)相似，分別在442 s和524 s時(shí)平均溫度達(dá)到最高值462.20 ℃和539.40 ℃；在施加凝膠泡沫過程中，平均表面溫度從462.20 ℃降溫至35 ℃僅用時(shí)1 935 s，相比于未施加凝膠泡沫過程降溫時(shí)間(3 257 s)縮短了約40%。

鋰離子電池組在施加和未施加凝膠泡沫過程中平均表面溫度的變化率曲線如圖11所示，可知在未施加凝膠泡沫過程中，在524～544 s的初始降溫期間平均降溫速率為0.3 ℃/s；在施加凝膠泡沫過程中，電池組的瞬時(shí)降溫速率最大值達(dá)到39.15 ℃/s，相較未施加凝膠泡沫過程(1.2 ℃/s)增長(zhǎng)了約32.63倍，在442～462 s的施加凝膠泡沫滅火劑期間平均降溫速率為18.1 ℃/s，相較未施加凝膠泡沫過程增長(zhǎng)了約59.30倍。

圖11 施加和未施加凝膠泡沫過程電池表面溫度變化率

綜上可知，凝膠泡沫滅火劑能夠在短時(shí)間內(nèi)快速降低電池表面溫度，極大抑制電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，防止電池發(fā)生復(fù)燃，有效降低鋰離子電池組的火災(zāi)危險(xiǎn)性。

(2)火焰溫度。鋰離子電池組在施加和未施加凝膠泡沫過程中電池組安全閥上方不同距離處的火焰溫度變化曲線如圖12所示，可知在引燃電池組之前，測(cè)點(diǎn)溫度僅在電加熱棒熱輻射作用下發(fā)生波動(dòng)，距離越遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)受到熱輻射作用越?。辉谝茧姵亟M后，兩個(gè)過程的電池組出現(xiàn)明火，測(cè)點(diǎn)溫度受到火焰影響急劇升高并發(fā)生較大波動(dòng)，且距離越近的測(cè)點(diǎn)溫度的上升幅度越大。

圖12 施加和未施加凝膠泡沫過程火焰溫度變化

對(duì)比圖12(a)和圖12(b)可知，在未施加凝膠泡沫過程中，當(dāng)電池組穩(wěn)定燃燒和發(fā)生火焰噴射時(shí)，電池組的火焰溫度維持在較高水平，持續(xù)時(shí)間在444～532 s內(nèi)，CH5、CH6、CH7、CH8測(cè)點(diǎn)溫度范圍分別是530.20～990.10 ℃、285.10～545.40 ℃、214.50～463.60 ℃和142.80～377.70 ℃。在明火熄滅后的5 min內(nèi)4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度仍維持在50～150 ℃。在施加凝膠泡沫的實(shí)驗(yàn)中，由于電池組燃燒12 s時(shí)就開始傾倒凝膠泡沫滅火劑，電池組穩(wěn)定燃燒和發(fā)生火焰噴射的持續(xù)時(shí)間較短，僅在433～441 s內(nèi)溫度較高，CH5、CH6、CH7、CH8測(cè)點(diǎn)溫度分別維持在258.50 ℃～485.40 ℃、128.70～401.10 ℃、49.20～206.20 ℃和42.40～143.50 ℃，明火熄滅后4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度均低于50 ℃。

綜上可知，凝膠泡沫滅火劑的加入時(shí)間對(duì)鋰離子電池組火焰溫度的影響較大，加入的時(shí)間越接近電池組燃燒開始的時(shí)間，凝膠泡沫的滅火效能體現(xiàn)得越明顯。

3.6.3 CO和CO2濃度變化分析

施加和未施加凝膠泡沫過程中CO和CO2的濃度變化曲線如圖13所示?？芍谖词┘幽z泡沫過程中，CO和CO2的濃度隨著電池組的持續(xù)燃燒而迅速升高，濃度的最大值分別達(dá)到了79 ml/m3和2 957 ml/m3，在明火熄滅后CO和CO2的濃度開始不斷降低直至恢復(fù)到初始濃度；在施加凝膠泡沫過程中，由于凝膠泡沫滅火劑快速熄滅明火并持續(xù)覆蓋在電池組表面，起到隔絕和冷卻作用，極大抑制電池組內(nèi)部的氣體反應(yīng)，使得CO和CO2的濃度最大值僅為41 ml/m3和510 ml/m3，相比于未施加凝膠泡沫過程CO和CO2濃度最大值分別降低了48.10%和82.75%。

圖13 施加和未施加凝膠泡沫過程CO和CO2濃度變化

4 結(jié)論

(1)凝膠泡沫作為一種新型防火滅火復(fù)合材料，兼具凝膠和泡沫的特性，具有良好的覆蓋性和隔絕性，對(duì)鋰離子電池火災(zāi)的明火熄滅、冷卻降溫和防復(fù)燃等方面展現(xiàn)出了高效的滅火效能。

(2)當(dāng)發(fā)泡劑D和B按照質(zhì)量比9∶1復(fù)配，總質(zhì)量濃度為0.4%，膠凝劑J1和交聯(lián)劑J2質(zhì)量濃度分別為0.3%和0.7%時(shí)，制備的凝膠泡沫性能最佳，發(fā)泡體積和黏度分別為430 ml和2 652 mPa·s，析液半衰期超過24 h，綜合值達(dá)到了1 140 630。

(3)凝膠泡沫熱穩(wěn)定性顯著，在180 ℃下加熱10～25 min，含水率能保持在92.84%～32.04%；當(dāng)加熱時(shí)間超過30 min時(shí)凝膠泡沫內(nèi)部結(jié)構(gòu)才發(fā)生較大破壞。

(4)凝膠泡沫具有優(yōu)良的滅火特性，能夠在3 s內(nèi)熄滅鋰離子電池組明火，在20 s內(nèi)電池組平均表面溫度降低幅度達(dá)359.3 ℃且平均降溫速率達(dá)18.1 ℃/s，施加凝膠泡沫后CO和CO2濃度最大值分別降低了48.10%和82.75%。