中科大研究員王青松談鋰離子電池火災滅火技術(shù)
發(fā)表日期：2021-04-01 文章來(lái)源：中科中渙
2020年11月18—20日，2020儲能安全國際高峰論壇在合肥世紀金源大飯店召開(kāi)，會(huì )上，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員王青松發(fā)表了題為“電化學(xué)儲能電站安全保障技術(shù)”的主題演講。
在國家政策與社會(huì )發(fā)展需要的雙重推力下，電化學(xué)儲能與新能源汽車(chē)市場(chǎng)快速發(fā)展，鋰離子電池的總體保有量逐年增長(cháng)。由于鋰離子電池較為活躍的性質(zhì)，當其處于各類(lèi)濫用狀態(tài)時(shí)極易發(fā)生熱失控繼而導致火災。因此近年來(lái)，不論是在儲能還是新能源汽車(chē)領(lǐng)域，鋰離子電池火災爆炸事故多發(fā)。幾種濫用形式，如機械濫用、電濫用、熱濫用等是鋰離子電池火災發(fā)生的主要原因。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，機械濫用是在外力沖擊下，電池失去完整性之后，或受到外力撞擊，隔膜容易刺穿導致火災；電的濫用是指在高溫條件下，內部產(chǎn)生枝晶生長(cháng)，從而產(chǎn)生大量熱量，引起電池火災；熱濫用是指由外在的環(huán)境溫度，或者其他的因素引起的電池的發(fā)熱，也會(huì )導致著(zhù)火，而后產(chǎn)生大量氣體。
從防控方法上來(lái)說(shuō)，第一個(gè)是電池的本體安全，通過(guò)對鋰離子材料進(jìn)行改性，添加阻燃介質(zhì)等使電池達到本體安全，使鋰離子電池即使處于濫用條件下也不會(huì )發(fā)生熱失控和火災。
第二個(gè)是過(guò)程安全，通過(guò)對鋰離子電池進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監測，對其發(fā)展趨勢進(jìn)行預測，從而進(jìn)行分級預警。
最后是消防安全，通過(guò)各類(lèi)滅火劑對鋰離子電池火災抑制效果的比較，篩選出較優(yōu)滅火劑；并通過(guò)合理的工況設計使各類(lèi)滅火系統在電池火災中發(fā)揮更好的滅火效果。針對電池尺寸的大小，在不同尺寸的集裝箱滅火平臺開(kāi)展滅火試驗，其中包括失控試驗和滅火試驗。
不同滅火材料的試驗效果
首先是干粉，針對不同的噴射角度和噴射時(shí)間開(kāi)展相應的試驗。設置的試驗條件和實(shí)際系統里有所不同，試驗針對單個(gè)電池，沒(méi)有包裹物和覆蓋物，所以滅火劑能夠完全作用在電池上。觀(guān)察使用干粉滅火劑和沒(méi)有使用情況下表面溫度的變化，得出的結果是在合適的條件下，干粉可以撲滅電池的火焰，并且有降溫的作用，但是不能直接阻斷熱失控過(guò)程中電池內部的化學(xué)反應。另外，在不同噴射距離、噴射角度、不同噴射時(shí)間下，干粉分解反應均為吸熱反應，對燃燒物具有一定冷卻作用，另外干粉分解產(chǎn)生氨氣對氣相燃燒反應自由基具有一定的抑制作用，可中斷燃燒鏈反應。
其次是水霧，這個(gè)試驗采用的是4AH的NCM體系21700鋰離子電池。在完全自由燃燒的情況下，使用水霧進(jìn)行滅火，很快火焰被抑制，但是溫度有升高趨勢，左邊是沒(méi)有使用水霧的時(shí)候，溫度非常高，接近八百度，但是使用水霧之后，有一個(gè)快速降溫的過(guò)程。在對單個(gè)電芯進(jìn)行試驗之后，接著(zhù)對電池組開(kāi)展滅火試驗，發(fā)現施加水霧可以有效延長(cháng)熱失控蔓延時(shí)間，降低熱失控的劇烈程度，停止噴射之后，產(chǎn)生火花，導致復燃。同時(shí)，后期可以看到電池再次發(fā)生熱失控，所以要想達到比較好的效果，水霧噴射時(shí)間必須要足夠長(cháng)。后續試驗表明充足的水可以有效抑制熱失控傳播，但由于水霧與電池間的接觸效率低，實(shí)際所需要的水量將大大高于理論計算值。
從這張結果圖上可以看到使用水霧滅火后的氣體變化，二氧化碳含量降低，但是一氧化碳大量增加，還有氫氣的含量、氟化氫的含量增大，對消防救援人員來(lái)說(shuō)，增加了危險性，所以鋰電池火災一定要及時(shí)撲滅。
第三個(gè)是七氟丙烷，七氟丙烷試驗采用的是50AH鋰離子電池，釋放時(shí)七氟丙烷的壓力比較大，對火焰有一個(gè)沖擊的作用，能夠有效滅火。從三個(gè)電芯電池組滅火的效果看，火焰也能夠被抑制，物理降溫的同時(shí)起到化學(xué)抑制的作用，一定程度上也起到隔離氧氣的作用。
最后是全氟己酮。不使用全氟己酮時(shí)，出現明顯射流火過(guò)程。全氟己酮施加后，電池未出現明火，但釋放出大量煙氣，電池未復燃。全氟己酮的滅火機理在常溫下是液態(tài)，接觸高溫電池后，可通過(guò)相變帶走大量熱量。另外，它可以切斷火焰燃燒的自由基，說(shuō)明更多的是化學(xué)抑制的作用。在試驗過(guò)程中用夾板從左右兩邊夾住電池，滅火劑作用面積非常有限，溫度產(chǎn)生較高的回升，后期增大劑量以?xún)?yōu)化全氟己酮滅火的降溫效果，通過(guò)對多個(gè)表面溫度共同擬合后尋找較優(yōu)的用量。
單一的全氟己酮在降溫上不太理想，所以和細水霧結合進(jìn)行了試驗，結果發(fā)現全氟己酮和細水霧聯(lián)合作用時(shí)，電池的峰值溫度更低，且降溫速度更快。
在同一試驗工況下，對幾種滅火劑效果進(jìn)行了對比。在自由燃燒時(shí)，噴射二氧化碳、七氟丙烷、細水霧，分別觀(guān)察滅火效果。使用二氧化碳后仍存有火焰，使用七氟丙烷之后也發(fā)生少量的燃燒，使用細水霧沒(méi)有發(fā)生燃燒的情況，相對來(lái)說(shuō)細水霧的降溫效果比二氧化碳和七氟丙烷要好一些。
這個(gè)是科大火災實(shí)驗室和中科中渙共同開(kāi)發(fā)的大尺度電池包滅火試驗，用的是鐵鋰300安時(shí)的電池，著(zhù)火燃燒之后進(jìn)行滅火，火慢慢滅掉的同時(shí)對它進(jìn)行持續降溫，這樣達到滅火和降溫的組合效果。
通過(guò)以上研究，可以看到幾種滅火劑基本都可以撲滅火焰，但是降溫效果不一樣，并且有的會(huì )出現復燃，當全氟己酮和細水霧滅火系統協(xié)同作用時(shí)，滅火后電池出現了明顯的降溫。以上試驗結論是基于特定電池和特定條件下的結果，請謹慎采用。