动力锂离子电池运输安全性探讨

目前的研究，更多的是考虑使用状态下的安全性，对运输环境条件下的安全性考虑不足，在诱因分析、失效机理和防护措施等方面还需深入研究。

国际规章对锂电池运输有严格的要求，但由锂电池引发的起火事件仍有发生，全球各国的运输监管部门对动力电池的运输尤其谨慎，甚至很多物流公司明确表示不承运动力电池。大批量、高能量的动力电池的安全运输，已成为一个全球性的焦点问题，直接影响我国动力电池、无人机和新能源汽车等众多产业的贸易流通。

本文作者结合目前的动力电池运输政策标准，分析运输风险，以期为建立更加科学的运输政策标准提供借鉴和参考。

1 动力电池运输规则

1.1 联合国运输规则

1.1.1 定义及分类

联合国制定的《关于危险货物运输的建议书－规章范本》(第21版)(简称《规章范本》)和《关于危险货物运输的建议书－试验与标准手册》(第六版修订)(简称《试验与标准手册》)是全球危险货物运输安全标准及规范的基准，各国政府多据此来制定危险货物运输规则。2006年，《规章范本》引入锂离子电池，并逐步发展成现在的锂电池运输规则体系。此体系下的锂电池相关定义与分类明显不同于电池工业界的通常说法。

《规章范本》将锂电池运输分类为锂离子电池和锂金属电池。锂离子电池包含UN3480(锂离子电池，包括锂离子聚合物电池)和UN3481(装在设备中的锂离子电池，与设备包装在一起的锂离子电池，包括聚合物锂离子电池)两个条目。《试验与标准手册》的第38章第3节(简称UN38.3)是关于锂电池的测试方法与标准。根据锂离子电池组成方式、质量和能量等，进一步细分(见表1)，在测试方法、样品数量和循环次数等方面的要求均有差异。



联合国的运输规章体系里没有“动力电池”的字样。当动力电池为锂离子电池时，动力电池运输时就需要满足联合国对锂离子电池的运输要求。单体动力电池既有小型电池，也有大型电池。不同于工业界的电池模组、电池模块和电池包等称谓，运输体系下的电池组包括以上的所有称谓，因此动力电池的电池组多为大型电池组。谈及动力电池，不能简单地认为动力电池在运输体系下就对应大型锂离子电池组。

1.1.2 适用于制造商的要求

不同于其他危险货物，《规章范本》在第2.9.4章节对锂离子电池的制造商也提出了相应的要求。这些要求旨在加强源头的安全控制，同样适用于动力电池的制造商，具体内容如下:
①每只单体电池或电池组的所属类型须满足UN38.3规定的要求;
②每只单体电池和电池组须装有安全排气装置，以防止在运输中破裂;
③每只单体电池和电池组须装有有效装置，防止外部短路;
④每只包含多只并联电池或电池系列的电池须装有有效装置，防止危险的反向电流;
⑤单体电池和电池组必须按照质量管理方案予以制造;
⑥既含有锂金属电池又含有锂离子电池，但不可以充电的锂电池组，需要满足各自类型的要求;
⑦单体电池或电池组的制造商和分销商，应该提供一份满足UN38.3中第5小节要求的试验概要。

1.1.3 运输包装要求

符合《规章范本》第2.9.4章节要求的动力电池，按包装说明P903或LP903进行道路或海洋运输，需要满足Ⅱ级包装、坚固外包装、保护措施及便于操作等要求。如果空运，动力电池质量不超过35kg、荷电量不大于30%时，按包装说明PI965进行运输;如果质量超过35kg，需要获得政府颁发的A99批准;如果荷电量大于30%，还需要获得政府颁发的A331批准。

未经过测试的或年产量低于100只的动力电池，需要满足特殊规定SP310的要求，按包装说明P910或LP905进行道路或海洋运输。如果空运，动力电池荷电量不大于30%时，在获得政府颁发的A88批准后，按包装说明PI910进行运输。

单独的或设备中装有召回的、回收的动力电池，在满足特殊规定SP377的情况下，按包装说明P909进行道路或海洋运输。需要满足Ⅱ级包装、阻燃隔热的缓冲材料和坚固外包装等要求。单独的或设备中装有损坏的、有缺陷的动力电池，满足特殊规定SP376的要求且相对安全时，按照包装说明P908或LP904进行运输;此时采用II级包装、单独包装等措施。如果极易发生自燃等危险，在满足特殊规定SP376的情况下，按照包装说明P911或LP906，进行道路或海洋运输;此时，需要满足I级包装，采用单独包装、阻燃隔热的缓冲材料、坚固外包装，防止泄漏，还有包装外部温度不能超过100℃等。

空运禁止运输损坏、有缺陷、召回和回收的动力电池。动力电池运输的具体要求见图1。



1.1.4 测试要求与标准

UN38.3系列测试是锂电池运输安全的重要保障措施之一。该系列测试共有8个试验:T1高度模拟、T2温度、T3振动、T4冲击、T5外部短路、T6撞击或挤压、T7过度充电和T8强制放电等。这些试验模拟了运输条件下锂电池可能会遇到的一些突发情况，从而评估锂电池的安全性。通常情况下，动力电池的单体电池需要完成T1－T6和T8试验，电池组需要完成T1－T5和T7试验。

此外，对于额定能量大于6200Wh的锂离子电池组，UN38.3有规定:如果组成电池组的较小锂电池组通过了UN38.3测试，且该集成电池组装有防止短路、防止过热、防止过充过放的监测系统，则该电池组无需试验。这段文字对动力电池系统提出了评估要求，但缺乏明确的检测方法和标准。

1.2 国内运输规则及运输状况

动力电池在国内运输主要采用道路运输，多数以普通货物的方式来运输。交通运输部发布的推荐性行业标准JT/T617《危险货物道路运输规则》，转化自欧盟的危险货物道路运输规则(ADR2015)，涉及的标准与联合国的运输要求基本一致。交通运输部发布的《危险货物道路运输安全管理办法》自2020年1月1日执行，将强制执行JT/T617标准，动力电池国内道路运输在不符合豁免条款下，将以危险货物的方式运输。国内水运和铁路还在开展运输安全性评估研究，暂时不承接动力电池的运输业务。

进出口的动力电池多通过海运或空运。按照国际海事组织《国际海运危险货物规则》中锂电池运输的要求，即可完成动力电池海运。动力电池航空运输按照国际民航组织《危险物品安全航空运输技术细则》中适用的锂电池规则进行运输。航空运输的要求更严苛。安全的动力电池只可使用货机运输，损坏、有缺陷、召回和回收的动力电池一律禁止空运。空运时，对动力电池的质量、荷电量等方面有严格的要求，一旦超出，均需民航主管当局批准。批准前，还要进行安全性技术评估。

2 动力电池特点与运输风险

在实际使用环境上，动力电池比日用消费锂电池要复杂得多，因此测试项目更多。运输环境与使用环境和工作状态相比，有相似点，也存在明显的差异。在考虑动力电池的特点对运输带来的风险时，只考虑直接影响。对动力电池的一个显著特点———高倍率充放电暂且不考虑。

2.1 动力电池特点
 
2.1.1 高比能量和密堆积

动力电池是一个高比能量的物品，一旦起火爆炸，危害巨大。以300Wh/kg单体动力锂离子电池为例，1kg的单体动力电池含有1.08×106J的能量;1gTNT炸药可释放4184J的能量，换算可知，1kg单体动力电池蕴含的能量约相当于258gTNT炸药，100kWh的整包动力电池蕴含的能量约相当于86kgTNT炸药。在运输工具的狭小空间内，这些能量释放足以造成严重破坏。

动力电池由大量高比能量的单体电池紧密堆积组成;运输时，多为大量动力电池组紧密堆积在运输载运工具的狭小空间内。从安全管理的角度而言，是典型的高风险点。

2.1.2 大体积和质量

减轻单个包装质量、使用安全包装和分散存放等手段，是降低运输风险的有效措施。一般电动汽车的整包动力电池，质量往往具有数百千克，能量也达到几十至数百千瓦时。体积变大、质量更重，使减轻单个包装质量不能实现。

将12只506328型聚合物三元正极材料锂离子电池(深圳产，负极材料为石墨，额定容量18.3Ah，充电截止电压为4.2V)组成动力电池模组(约为4V、220Ah)，放入5.0mm厚的钢板制成的金属盒中，在密闭条件下通过加热棒引发热失控，充分燃烧后，金属盒的5.0mm厚的钢板局部发生了变形。如果使用安全包装，阻止动力电池起火产生的热量和火焰向四周蔓延，那么这种安全包装需要具备阻燃、隔热和防爆等多种功能。目前，还没有包装能够限制如此巨大的能量释放，有一定功效的特制包装成本太高，难以用于大批量动力电池。

质量和体积的变大还增加了动力电池操作和放置位置的困难，尤其在运输工具中，分散存放变得不太现实。

2.1.3 一致性

动力电池系统中的单体电池之间的差异，被称为一致性问题。这种差异会造成能量不能有效利用，也容易造成动力电池热失控。目前，有两种方式解决一致性问题:①研究动力电池体系和控制制造工艺质量，从源头解决差异。成熟的工业化生产工艺已将单体动力电池的故障率降低到千万分之一的水平，但由于动力电池系统多由数千只单体电池组成，大大增加了发生事故的概率;②利用电池均衡技术，强制将单体电池之间的差异变小。动力电池在多次使用后，差异可能会被进一步放大，因此，电池管理系统(BMS)尤为重要，对BMS的评价也至关重要。

2.1.4 高电压

动力电池的电压达到数百伏，远超人体的安全电压。高压漏电的危险有:①对搬运人员造成电击伤害;②破坏电池保护电路，导致电池系统的保护功能失效;③可能会自发放电，引燃其他易燃物品。动力电池运输时一般都带电，荷电量直接与安全性相关。UN38.3系列测试中没有高电压的安全测试，运输法规标准也没有高电压的风险评估方法。动力电池高电压带来的运输风险一直都被忽视。

3 存在的问题

3.1 本质安全性未解决

动力电池的化学组成决定了自身的易燃性。虽然动力电池安全标准和各项措施已在不断推进，但引发动力电池热失控的各项因素依然难以完全避免。高能量密度的电池体系与安全性也还存在一些矛盾，尚未解决。

不同的运输模式，对安全水平的接受程度不同。动力电池热失控的诱因复杂，现有的应对措施不够完善。不可预知的风险，对航空运输产生了极大的安全威胁。

3.2 燃烧机理和危害研究较少

目前，对大尺寸的动力电池火灾危险性的研究较少，对火灾表现和危害认识不足，相关研究多集中在小尺度的，甚至少数几个动力电池的起火研究，不具有代表性。

锂离子电池燃烧会产生有毒的气体和粉尘，但研究多集中在直接燃烧后气体组分的分析，对燃烧产生的有毒气体组分研究较少，有毒气体和粉尘的危害、有毒气体扩散机制等方面的研究鲜有报道。

取2只满电的G00236-20Ah型20Ah聚合物三元正极材料锂离子电池(深圳产，负极材料为石墨，充电截止电压为4.2V)，1只裸露，1只置于自制的阻燃包内，对加热棒通电，以5℃/min的速度加热，引发热失控，实验结果见图2。



从图2可知，裸露的动力电池与阻燃包内的动力电池燃烧行为差异很大，裸露的动力电池引发热失控后，充分燃烧，火焰高，烟雾少;阻燃包内同等规格的动力电池，也发生热失控，但无火焰逸出，产生大量白色刺激性气体。

3.3 运输测试体系不完善

UN38.3系列测试是保障锂电池运输安全的基本标准。该标准基于消费型的小型电池制定的，并未针对高能量、大质量和多规格的动力电池提出针对性的要求，现有测试条款不全，技术指标有欠缺。虽然在逐步修订，但仍落后于动力电池的发展。

目前，一些装备中的锂离子电池的额定能量见图3。



从图3可知，动力电池的能量与消费型的小型电池不在同一数量级上。UN38.3系列测试无论是测试方法还是评价标准，很多地方都没有考虑动力电池的特点，导致动力电池的安全性不能得到合理的评价。

《试验与标准手册》规定:在满足一定条件下，额定能量超过6200Wh的锂离子电池组，不需要进一步测试。此规定的利弊很明显，虽然节省了动力电池组的测试成本，但也造成动力电池组整体安全评价的缺失。通常情况下，一个中小型动力电池模组的能量即可超过6200Wh，按6200Wh判定，很多此类电池模组无需测试。单体电池在焊接、配组过程中，会存在极耳处虚焊、漏焊和重复焊接等情况，电池模组中存在的安全隐患在运输过程中可能会被外力所诱发，最终导致短路。

对于额定能量大于6200Wh的动力电池，规定要求对BMS进行评价，但缺少评价方法与标准。对BMS的评价，除了在运输环境下单独对稳定性等进行评价，也需要在整个电池系统下进行运输环境测试，才能体现BMS的管控能力，否则没有实际意义。评估人员的专业水准和过往经验也可能直接影响评估结果。这一规定的传导效应，直接导致动力电池在设计上极少考虑运输安全，源头上即缺失一环。

3.4 运输安全性评价能力欠缺

动力电池的第三方测试机构相对较少。锂电池运输测试的第三方实验室，大多没有动力电池的测试能力。按照规定，能量稍大一点的动力电池即可寻求不进行UN38.3系列测试，也导致各实验室未建立测试能力。

动力电池运输安全性评价应建立在有效测试数据的基础上。现在的状况是难以找到合适的实验室进行测试，并获得相应数据。没有有效的数据，也建立不了合适的测试方法与标准，更建立不了评价标准。此外，随着相关产业的发展，大量试验、损坏、有缺陷、召回和回收的动力电池需要运输。这些动力电池在运输前也不太适合进行UN38.3系列测试，合理的安全性评价就显得尤为必要。这一真空地带已经出现，值得关注。

3.5 风险防控措施不足

合适的包装可将危险货物的危险性有效地控制在包装内，并实现安全运输。由于动力电池比能量高、体积大，目前没有合适的包装材料或包装形式将危险控制在包装内，即动力电池在包装内发生完全燃烧而波及不到其他物品。国际上已有机舱内的防火罩或防火包等设计和小规模的使用，国内类似产品仍处于试验阶段。这些包装方式均未解决动力电池燃烧产生大量有毒气体和粉尘的问题。

包装说明中的要求均为原则性要求，是一种暂时性的安全保障措施。这些要求没有具体技术指标，缺乏试验验证，缺少权威机构认证。这也是很多运输方式对动力电池运输投鼠忌器的主要原因之一。

3.6 有效阻燃灭火方法欠缺

动力电池内部阻燃材料以及外部包装材料的有效性还需要进一步验证。有研究表明，大巴车动力电池发生热失控5min后，火势将蔓延到车内;同时考虑人员全部逃离所用时间约为1min。据此建议5min作为大巴车动力电池耐火时长。如果在公路运输条件下，5min时长足够道路运输应急撤离，但在海洋、铁路和航空运输下远不足以应急。

动力电池的灭火方法尚未确定。无论是大量水还是气体灭火剂，在运输时，都难以在短时间足够获取。动力电池燃烧产生的高温、浓烟和有毒气体等，会迅速造成人员伤亡和设备损坏。

4 结论

我国动力电池行业正在蓬勃发展，动力电池的大量运输也势在必行。由于动力电池具有高比能量、密堆积、大体积、高质量、高一致性和高电压等显著特点，运输的安全性也不同于消费型的锂离子电池。目前，动力电池运输还存在本质安全性尚未解决、燃烧机理和危害不甚清楚、运输测试体系不完善、运输安全性评价能力欠缺、风险防控措施不足以及有效阻燃灭火方法欠缺等方面的问题。解决这些问题，需要政府部门与企业的相互配合，制造业与运输业的紧密合作，需要多方面研究的突破。合理解决动力电池的安全性问题，满足运输需求，应考虑如下的要素:

安全是相对的。所有的设备都有风险，且会在特殊的环境下产生问题。动力电池运输的安全性问题应在运输实践中加以解决，通过不断暴露问题，寻求妥善的解决办法。

安全是一个风险管理的问题。不同的运输方式有不同的可接受范围。缓解风险的措施很多，适用的措施即可使用，如降低荷电量、采用特种包装、有效隔离和限制数量等。

安全性与动力电池的效能或性能密切联系。近几年动力电池行业的发展很快，包括新体系、更高比能量和新结构等。对设计者而言，不能片面地追求更高比能量。人们不断寻找体积更小、能量更高的动力电池，也会导致能量失控危险出现的概率增大，产生的危害更严重。

安全贯穿于动力电池的整个生命周期。动力电池的安全性在设计、生产、储存、运输、销售、使用和回收等环节均有涉及，且相互影响。运输环节的安全性也应在最前端的产品设计中加以考虑。

所有参与方都要承担安全责任。动力电池的风险必须严格控制，并使用必要的预防手段，确保从生产、销售、运输、使用和回收整个过程的安全，需要所有参与方共同承担。