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动力与电气工程
DOI：10.16661/jki.1672-3791.2106-5042-6746
及处置要点
欧阳春雷
(东莞市消防救援支队石龙大队 广东东莞 523320)
摘 要：动力锂离子电池火灾随着电动汽车行业迅猛发展呈多发态势。相关人员经研究发现内部动力锂离子电池热失控作为电动汽车火灾的根本原因。该文对锂离子电池热失控机理、火灾危险性、灭火技术等方面的研究状况进行了归纳和总结，为进一步开展动力锂离子电池安全研究和电动汽车火灾应急救援提供参
考依据，进而推动我国社会的快速发展和不断进步。
关键词：锂离子电池 热失控 电池灭火 处置要点中图分类号：U469.7 文献标识码：A
文章编号：1672-3791(2021)05(b)-0073-03
Analysis on the Characteristics and Disposal Points of
Electric Vehicle Lithium-ion Battery Fire
OUYANG Chunlei
（Shilong Brigade, Fire Rescue Detachment of Dongguan City, Dongguan, Guangdong Province,
523320 China）
Abstract : With the rapid development of the electric vehicle industry, power lithium-ion battery f ires are frequently occurring. Studies have found that f ires in electric vehicles are mostly caused by thermal runaway of its internal power lithium-ion battery. This article summarizes and summarizes the research status of lithium-ion battery thermal runaway mechanism, f ire hazard, f ire extinguishing tech
nology, etc., and provides a reference for further research on power lithium-ion battery safety and electric vehicle f ire emergency rescue, and then promotes the rapid development and continuous progress of our society.
Key Words : Lithium-ion battery; Thermal runaway; Battery f ire extinguishing; Disposal points
作者简介：欧阳春雷（1984—），男，本科，灭火救援初级技术九级，研究方向为灭火救援作战指挥。
近年来，新能源汽车作为节能环保政策下节能环保汽车的代表，以我国可持续发展目标为动力，极具发展前景。但以锂离子电池作为能源的电动汽车在实际应用中存在较大难度与危险。在电动汽车火灾救援灭火处理中，消防人员中毒、触电、烧伤危害片频发。因而，为降低事故发生概率，明晰电动汽车锂离子电池燃烧特性，提高灭火技术应用灵活性已成为当前的重要工作。
1 电动汽车的定义
以电能作为动力源的汽车称为电动汽车，按动力
源可分为纯电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力
电动汽车。纯电动汽车主要由电源系统、驱动电机系统、整车控制器和辅助系统组成。从工作实践看，电动汽车火灾原因中动力电池故障引发火灾数量占比较大。
动力电池是电动汽车的动力源，是能量存储装置。动力电池系统主要由电池单体、电池管理系统、冷却系统、线束结构件和外壳构成，具体见图1。电动汽车将动力电池作为关键性核心，而锂离子电池则作为市场目前应用最为普遍的电车动力电池[1]。
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2 锂离子电池起火原因
锂离子通过正负极移动帮助锂离子电池完成充电、放电工作，其属于当前充电电池中性能较高品类[2]。而锂离子电池与“锂电池”存在较大区别，“锂电池”所将二氧化锰、亚硫酰氯作为正极材料，负极以锂配平，不需充电即储有电能作为电池组装完成后的特点，因电池内部短路多是由于充放电循环所形成的锂结晶形成的，通常情况下锂离子电池禁止充电，所以并不能将锂离子电池与“锂电池”相提并论。
循环性能好、无记忆效应、比能量高作为锂离子电池的特点性优势，在智能电网储能、新能源汽车动力系统中受到重点关注。但就锂离子电池当前实际情况而言并未达到本质安全要求。从结构上分析锂离子电池，大量能力被存储与密闭空间中极具危险性。因为电池一旦处于短路、过热、挤压等条件下，无疑滥用锂离子优势，在特点情况下受热能影响引发电解液与电极产生链式反应，出现热失控问题，进而引发大规模火灾事故。
2.1 热失控发生机制
动力锂离子电池充、放电循环作为电动汽车使用过程，其在运动中会在内部产生极为复杂的化学反应。而负极表面SEI膜具有热稳定特定，受温度限定影响达到临界点会发生热分解现象。而负极裸露多是因SEI 膜造成的，其裸露面与电解液直接接触所产生的还原反应不仅剧烈还伴随可燃气体与热大量释放。
当电芯温度达到190 ℃左右时多是由于SEI膜分解释放的热造成的，而这也是正极分解的主要原因。原子态氧在正极分解中被快速释放，高活性的院子态氧是导致电解液直接剧烈氧化分解的根源，进而导致电芯在短时间内积聚大量的热。
潜在热副反应是指在温度或充电电压过高时因热量积聚使得电芯温度与压力快速上升，进而发生热失控。正极热分解量大于负极，而电芯热稳定性受不同正极材料影响，所展现的情况存在较大差异。其中，磷酸铁锂在300 ℃左右基本不会出现分解状态，而三元材料与其相比则以较低的电芯热即可分解。高镍三元正极随着镍含量的增加热分解温度愈来愈低的同时加热量逐渐变大，即在110 ℃～130 ℃之间就会发生热分解现象。
化学反应所释放的热量多因动力锂离子电池散热性能未达标而知识温度骤升，促使化学反映速率不断增大，破事系统自动加温引发热失控。除此之外，泄压阀作为电芯基础装配辅助动力锂离子电池防爆阀，电池压力一旦达到7 Pa左右时则会进行泄压。电解液在泄压过程中闪电很低，所喷出的电解液整齐与防
爆阀产生摩擦致使动力锂离子电池燃烧。因此，动力锂离子电池具有的特点是迅速燃烧，而并非剧烈爆炸。2.2 内部短路
由于电池的滥用，如掉落、挤压、撞击、过充过放导致内部的枝晶与电池生产过程中的杂质灰尘等，将恶化生成刺穿隔膜，产生微短路，电能量的释放导致温升，温升带来的材料化学反应又扩大了短路路径，形成了更大的短路电流，这种互相累积、互相增强的破坏，导致热失控[3]。
2.3 外部短路及高温
外部短路因在人为操作不当而产生，由于外部短路造成电池放电电流过大，易使电芯发热，而高温则会使电芯内部的隔膜损坏，造成内部短路，因而燃烧爆炸。由于锂离子电池结构的特性，在遇高温情况下内部构造、电解液会发生反应，并造成一连串化学反应，多种反应导致大量热量产生。隔膜融化进而导致电池内部短路，众多能量的释放又增加电池内部热量产生。这一连串的作用，最终导致防爆膜破裂，电解液喷出，从而起火燃烧。
2.4 锂离子电池的燃烧特性
电动汽车电池锂离子电池的燃烧特性与众不同，其中燃烧激烈、热蔓延迅速、活泼金属与水发生猛烈反应生成产物作为基础特性，在燃烧加剧的条件下火势迅速蔓延。而在剧烈燃烧后所产生的烟尘与毒性极具危险性，致
使锂离子电池在燃烧会释放大量有毒有害气体、粉尘颗粒，严重危害人体。不仅如此，难以控制的火势极易引发爆炸，扑灭复燃可能性极大，扑救难度校大。而因锂离子电池引发的火灾应用常规物理方式仅能扑灭，无法通过关隔绝氧气与切断燃烧链的形式
灭火剂HFC CO2ABC干粉水全氟己酮明火消失时间（s）＜2＜2＜2＜2＜2灭火剂响
应时间（s）
11322灭火剂释
放时间（s）
131391310是否复燃无复燃无无无复燃时间-灭火剂停止释放后1 s内---
复燃后燃 烧时间（s）-58---表1 各灭火剂灭火过程比较
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达到预期目标，而未能有效抑制火灾所引发的复燃问题。因而，锂离子电池引发的火灾灭火的难度远高于其他火灾性。
3 锂离子电池火灾事故处置要点
我国制定《电动汽车锂离子电池箱火灾防控装置性能要求和测试方法》以应对锂电池火灾情况。对于锂离子电池箱火灾防控装置在外观与标志、故障报警、启动反馈、灭火性能予以明确规定，为后续防火措施的应用提供科学依据。而灭火时间、箱内温度与压力变化等可控因素应当重点考虑以应对突发状况，采取有效措施快速处理明火问题，提高锂离子电池灭火效率[4]。
3.1 断电
断电操作作为锂离子电池电动车发生火灾时第一要务，目的在于为后续灭火救援预留时间。防触电、防烟雾作为消防救援时的重要工作，车辆熄火是内部电压接受外界信号而应用自动断电功能进行切断，但少数情况下会发生意外状况，使得高压供电线路未能及时切断。因而，在消防救援工作中不要与锂离子电池高压组件发生直接碰触，避免因防护不到位而出现击穿状况。及时测点电压作为有效应对方式之一，如果符合灭火标准首先采用水源灭火。而采取相关保护措施的目的则是以保护车内人员安全，在符合接触水源条件下采用专业灭火措施。
3.2 适当的装备
消防车辆到达现场时，停车位置应当依据现场实际情况进行恰当选择，严禁停靠在路基松软、薄弱地带，并时刻与起火点保持一定距离。车头朝向撤离方向。抢救过程中，消防人员待命区域的选择也是一大课题，需选择相对高处且上风处，避免有毒救灾废水与有毒气体危害待命人员。
由于锂离子电池燃烧甚至爆炸，过程中会产生对于人体有腐蚀性及有毒性等危害气体，危害到第一线消防人员的皮肤或呼吸道等粘膜组织，另外也有可能有触电的风险，所以全套PPE包括消防帽、面罩、空气呼吸器、头套、全棉防静电内衣、灭火防护服、手套、消防鞋等，这些都是必要的战斗装备。穿戴电绝缘服、绝缘靴、绝缘手套作为消防救援人员进入带电作战区域时的必要防护装备，还需携带漏电探测仪等基础器材。危险发生前必须先与锂离子电池保持适当的安全距离，评估现场环境才能防止不必要的伤害[5]。
3.3 适当的通风环境
锂离子电池火灾通常会产生大量拥有可燃性、腐蚀性与毒性之危害气体，在适当的条件下易引起燃烧甚至爆炸。若救灾环境允许的话，尽量建立有效通风，使救灾环境能排除危害气体，以降低危害因子，减少消防人员的危害风险；如果在密闭环境下，在建立任何开口时应特别注意，因电池内部环境已长时间闷烧，建立开口容易造成大量氧气的窜入，使其建立完整的燃烧三要素（可燃物、助燃物、热能）从而引发现场快速燃烧或爆燃。
3.4 足够的水源供救灾使用
如果到达现场发现是锂离子电池火灾时，应考虑现场水源是否能有效灭火。因为锂离子电池火灾若仅扑灭其表面火焰，是无法完整中断其化学反应，电池内部通常还会有极高的温度，且锂离子电池特殊的热失控现象，会持续发生且容易产生再度复燃现象。为此，必须使用大量的水持续降温，直至锂离子电池内化学反应结束，才可避免造成再次复燃的可能。消防人员执行锂离子电池火灾的灭火攻击时，可由热显像仪来监测温度，以确保锂离子电池温度降至安全范围，避免只扑灭表面火焰，而误以为灭火完成而造成电池复燃现象。最后，要长时间的静置观察电池温度有无升高、复燃[6]。
4 结语
电动汽车领域随着锂离子电池应用范围的不断扩展并将其广泛应用于行业发展中，而逐渐增多的锂离子火灾事故时的火灾危险的基础性研究在现阶段围绕其展开。与此同时，对有毒气体、触电与爆炸作为火灾中应当重视的基础性问题进行分析与研究，采取科学的灭火措施与有效技术，解决电动汽车锂电池火灾隐患，进而推动电动汽车实现可持续发展。
参考文献
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图1 动力电池系统构造
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