摘要：本文通過大量文獻，發(fā)現阻隔鋰電池組之間鏈式反應是研究鋰電池滅火的關鍵。本文分析了鋰電池熱失控原因以及過程，綜述了現有鋰電池熱失控常用的幾種典型滅火劑及其滅火效果，總結出幾種能夠阻隔鋰電池組之間火焰蔓延的滅火劑。同時，指出當前常用的鋰電池滅火方式。結合當前實際情況，探討了幾種電動汽車鋰電池火災防護方法。

關鍵詞：鋰電池火災；滅火劑；熱失控；鋰電池

一、鋰電池火災成因及熱失控過程

我國力爭在2030年前實現“碳達峰”、2060年前實現“碳中和”[1]。機械濫用、電濫用、熱濫用是導致電池熱失控的三種行為。鋰離子電池（LIB）因其能量密度高、輸出功率大、無污染、循環(huán)壽命高、無記憶效應、充電速度快、工作溫度寬泛等優(yōu)點，被應用于電子產品、軍工產品、航空產品等相關領域。相較于其他電池體系，LIB擁有更高的能量比、輸出電壓和較低的記憶性能以及較好的安全性等優(yōu)勢。因此，在電池行業(yè)領域占據了重要地位。鋰電池發(fā)生火災時通常是鏈式反應，一旦一塊鋰電池熱失控發(fā)生火災，內部的鏈式反應會使整個鋰電池電池組都發(fā)生火災，造成不可估量的后果。

（一）鋰電池熱失控及原因

鋰離子電池在外部熱源的加熱、外力作用下的擠壓和穿刺、電池外短路等情況下，發(fā)生電池內部不受控制的連鎖化學反應，這就是鋰離子電池的熱失控。目前，主要導致鋰電池熱失控的行為主要有三種，如圖1所示。

內部因素和外部環(huán)境是導致鋰電池熱失控的主要原因。內部因素主要表現在生產、安裝和使用過程中存在的隱患。大多數是因為電池生產結構不完整以及組裝不正確，如生產過程中極片表面存在毛刺、正負極錯誤安裝以及材料純度低等原因。此外，金屬粉塵作為其中的重要影響因素，極大可能會導致安全事故的發(fā)生。外部原因表現在新能源汽車在行駛過程中或者工作狀態(tài)下受到的外部刺激，包括電池過充、外部碰撞、過水和高溫等極端情況，導致電池短路，引起熱失控。

（二）鋰電池熱失控過程

電池隔板破裂。由于外部沖擊和電池老化或者由于過度充電和低溫而形成鋰枝晶，刺穿隔板，從而損壞隔板。隔膜破裂導致電池短路。這種短路導致電池內部溫度迅速上升。隨著溫度的升高，固體電解質界面（SEI）的組分在100℃分解，導致電解質內的有機溶劑與鋰金屬或鋰化碳陽極發(fā)生反應。這些放熱反應導致電池溫度升高，電池內部產生越來越多的氣體，直到氣體沖破安全閥。分離器將在130℃左右熔化，從而觸發(fā)正極和負極之間的進一步放熱反應。當積累了足夠的氧氣和熱量時，就會產生火花噴射。由于易燃氣體和揮發(fā)性電解質的噴射，在電池安全閥上方發(fā)生噴射火災。電池經歷了一個穩(wěn)定的燃燒階段，然后減弱、熄滅。整個鋰電池熱失控過程如圖2所示。

二、典型滅火劑滅火效果

發(fā)生火災時，鋰電池往往會釋放大量有毒氣體，在燃燒過程中釋放CO、CO2、氟化氫、二氧化硫、氮氧化物，產生大量煙氣，可視度低，很難尋找火源，影響消防員進入火場。目前現有的滅火措施無法阻隔電池內部的鏈式反應，容易出現復燃并且有爆炸風險。因此，研究鋰電池火災的滅火劑，阻隔電池組之間的鏈式反應尤為重要。鋰電池滅火劑主要有液體滅火劑、固體滅火劑、氣體滅火劑。

（一）幾種典型滅火劑

張乃平等總結了幾種典型滅火劑對鋰電池火災的抑制效果，以18650型三元鋰電池為例，分析得出固體滅火劑不適用于鋰電池火災，容易出現復燃現象，氣體滅火劑中全氟己酮滅火劑具有優(yōu)異的滅火效果。液體滅火劑中細水霧最能夠阻止電池模組的熱失控傳播。液氮滅火劑冷卻效果好，但成本高，不適用大規(guī)模使用[2]。

由于缺乏冷卻效果，工作狀態(tài)下電池處于較高溫度，容易發(fā)生再次燃燒。目前最常用的氣體滅火器有二氧化碳（CO2）、七氟丙烷（HFC-227ea）[3]、全氟己酮（Novec1230）[4]等型號，二氧化碳只能起到阻隔和稀釋氧濃度的作用，但無法阻止電池內部產生的鏈式反應。七氟丙烷滅火劑能夠快速熄滅電池外部明火，但對內部的化學反應沒什么作用。滅火效果比二氧化碳滅火劑好，冷卻效果不顯著，過量使用會產生大量HF氣體。相比之下，全氟己酮滅火劑具有優(yōu)異的滅火效果。

常用的液體滅火劑主要是泡沫滅火劑、純水以及細水霧[5]。泡沫滅火劑雖然能夠撲滅明火，但是很難進入電池的內部，容易發(fā)生復燃并且燃燒更加劇烈。純水的滅火效果雖然較為顯著，對火勢蔓延有一定的抑制效果，但是撲救時水量需求大。相比之下，細水霧能夠有效阻止電池模組中的熱失控傳播。在細水霧中添加一定的添加劑能夠顯著增強滅火能力。液氮滅火冷卻效果更為顯著，但成本高、危險性大，不適合大規(guī)模使用。后來學者提出全氟己酮與細水霧協同作用比單一滅火劑滅火和冷卻效果好，考慮到成本，二氧化碳和細水霧組合具有良好的滅火效果，可以用于撲滅磷酸鐵鋰電池火災。

陸劍心等提出羧甲基纖維素與氯化鋁溶液混合劑制備一種絡合物的水凝膠用于滅火。水凝膠具有溫度敏感性，與水混合易于噴灑，溫度高時黏度大，可以吸附在高溫物體表面，阻隔氧氣[6]。筆者分別設置了單個電池和2×2電池組兩個實驗。水凝膠在滅火過程中具有動能干擾、水霧擴散和覆蓋降溫的作用。在噴射水凝膠進行滅火后，能夠有效降低火焰高度、分散火焰形狀，阻礙單個電池內部或者電池模組間的熱量傳遞。隨著可燃氣體濃度降低，電池火災被撲滅，均未出現電池復燃，說明水凝膠對鋰電池火災具有較好的滅火效果。

李松等是以32650型磷酸鐵鋰電池為例研究受限空間中鋰離子電池火災特性。分別在電池上方不同位置用氣凝膠滅火劑作用不同時間，得出結論：噴淋時間越長，降溫效果越好；噴射口位置越高，降溫效果越差。噴淋10s氣凝膠滅火劑無法阻止電池熱失控傳播，但是可以降低燃爆的危險性。噴淋30s氣凝膠滅火劑能夠有效抑制未燃爆的電池熱失控，并且阻斷火災在電池組之間的傳播[7]。

張鑫及其團隊[8]開發(fā)了一種以液氮為基礎的消防滅火試驗箱，并通過實驗測試了液氮消防系統(tǒng)在鋰電池過充燃燒情況下的滅火性能。實驗結果顯示，液氮消防系統(tǒng)在鋰電池儲能滅火方面表現出了較高的安全性和效率。在具體實驗中，對單個鋰電池和電池組啟動液氮消防系統(tǒng)后，僅需30秒即可熄滅爆燃的鋰電池明火，同時電池溫度也有所降低。在電池組滅火試驗中，經過24小時的觀察，未發(fā)現電池復燃現象，通過熱電偶收集的數據可知，電池溫度已降至周圍環(huán)境溫度。這些實驗結果證實了液氮消防系統(tǒng)在防止鋰電池熱失控引發(fā)的連鎖反應方面的有效性。

目前，部分學者持續(xù)研究表面活性劑（陽離子和陰離子表面活性劑）和鋰電池滅火劑協同設計的滅火劑，重點關注滅火劑的表面活性、熱穩(wěn)定性、發(fā)泡性能、環(huán)境友好性和導電性等關鍵因素。統(tǒng)計了451，760項鋰離子電池相關專利和20項鋰離子電池滅火劑相關專利，深入分析目前表面活性劑和鋰離子電池滅火劑面臨的技術和挑戰(zhàn)，最后發(fā)現，溫敏型水凝膠滅火劑仍然是有效控制鋰離子電池火災的較為理想的滅火劑。

（二）滅火劑總結

目前最常用的撲滅鋰電池火災的滅火劑是水系滅火劑，包括細水霧滅火劑。水基滅火劑主要分為純水、細水霧和泡沫等類型。細水霧滅火劑能夠有效防止電池模組間的熱失控，在細水霧滅火劑中加入復合添加劑能夠顯著增強滅火能力。細水霧是一種特殊的水霧，其液滴直徑在工作壓力范圍內99%小于1000微米。相較于傳統(tǒng)的噴水和注水滅火方法，細水霧具有節(jié)能、無毒、效率高等優(yōu)勢。細水霧滅火的原理主要體現在以下幾個方面。冷卻作用：細水霧能夠迅速降低火源區(qū)域溫度，通過冷卻電池表面，減少熱量傳播，從而控制火勢。潤濕作用：細水霧的細小液滴能夠更好潤濕燃燒物質表面，增加燃燒物質與水的接觸面積，提高滅火效率。降低熱輻射：細水霧可以降低火源區(qū)域的熱輻射強度，減少火焰對周圍環(huán)境的熱輻射影響，降低火勢蔓延風險。稀釋氧氣：細水霧能夠稀釋空氣中的氧氣濃度，減少氧氣供應，從而抑制火勢發(fā)展。高效滅火：由于細水霧的細小液滴能夠迅速擴散并覆蓋火源，因此滅火效率較高，能夠在較短時間內控制火勢。

三、典型滅火實驗研究及鋰電池火災防護

（一）滅火方式

通過大量鋰電池火災滅火劑的相關文獻以及鋰電池火災的典型實驗研究發(fā)現，滅火方式多種多樣。張磊[9]等人提出搭建鋰電池全淹沒火災模型，采用“全淹沒”的滅火方式進行滅火。選取了電池容量分別為25Ah和50Ah的三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，采用過充誘導的模式觸發(fā)著火。然后，采用高壓氮氣結合電磁閥控制的驅動方式來快速打開瓶頭閥，施放滅火劑。實驗數據表明，全氟己酮滅火劑的降溫效果極為顯著，可有效抑制全淹沒磷酸鐵鋰和三元鋰電池單體火災。

蔡興初、朱一鳴等人[10]提出了采用“局部應用”與“全淹沒”相結合的滅火模式。在一個封閉空間內放入磷酸鐵鋰電池，在其著火后，迅速拿起全氟己酮滅火劑向里噴射，以此撲滅電池燃燒產生的明火。然后，每相隔一段時間后，再次注入全氟己酮滅火劑來維持空間內的滅火溫度，防止其再次熱失控。試驗中霧化噴頭被安裝在電池簇的側面，即火源附近。滅火劑隨后擴散至整個試驗艙，形成全淹沒效果。實驗結果表明，電池明火迅速被撲滅，在20分鐘的浸泡時間內未發(fā)生復燃。這種結合局部應用和全淹沒滅火的策略適用于儲能電池艙的滅火。

（二）鋰電池火災防護

目前，鋰電池引發(fā)的火災主要有兩種類型：一種是主動噴射式火災，另一種是被動混合氣體式火災。在這兩種火災類型中，主動噴射式火災通常與三元鋰電池相關，而被動混合氣體式火災與磷酸鐵鋰電池相關。對于未變形車輛的斷電操作，需要采取切斷車內電源控制線，以確保車輛完全斷電，再拆除鋰電池控制系統(tǒng)中的保險絲，以防止意外觸電或短路。對于變形車輛的斷電操作，在緊急情況下應采取適當的絕緣保護措施，以確保變形車輛附近操作人員的安全。根據車輛的實際位置，進行精確切割操作，以確保電源線被準確切斷。

通過以上措施，可以有效降低車輛在熄火后因高壓供電線路未及時切斷而帶來的安全隱患，保障滅火或破拆過程中的人員安全性。同時，對于變形車輛的斷電操作，采取適當的絕緣保護措施和精確的切割操作，可以進一步提高斷電操作的安全性和有效性。

結語

通過閱讀鋰電池領域多個學者的文獻研究，總結出鋰電池火災常用的滅火劑是細水霧滅火劑、全氟己酮滅火劑。細水霧的滅火和冷卻效果很好，其滅火效果根據細水霧的用量決定。CO2、七氟丙烷、全氟己酮等氣體滅火劑雖然能撲滅鋰電池外部明火，但不能有效降低鋰電池內部的溫度，內部仍然會有可能繼續(xù)進行連鎖反應。固體滅火劑比熱容很低，缺乏冷卻能力。鋰電池儲能倉最高效的滅火方式是“局部應用”與“全淹沒”相結合的模式。這種滅火方式在節(jié)省了滅火劑用量的同時，能夠阻隔電池組間鏈式反應，達到滅火效果。在實際情況下，如果鋰離子電池應用在車輛上，因客觀條件的限制，滅火方式不適用“全淹沒”，因此應根據鋰電池應用的主體不同，恰當選擇滅火方式。參考文獻

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