电动汽车锂电池灭火技术研究

随着电动汽车行业迅猛发展，动力锂电池火灾呈多发态势。研究发现，电动汽车发生火灾多是由于其内部动力锂电池热失控所致，动力锂电池起火引发的电动汽车灭火技术逐渐引起各界的重视。

1 动力锂电池结构

动力锂电池作为整车动力来源，是电动汽车发展的核心技术。目前，在电动汽车上主要应用的电芯按外形分为圆形和方形，其中，圆形电芯有18650、21700 两种。典型圆形电芯和方形电芯的结构,如图1 所示。



锂电池按外包材料可分为铝壳锂电池、钢壳锂电池、软包电池。按正极材料可分为钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰（NCM）、镍钴铝（NCA）、磷酸铁锂（LFP）。其热稳定性大小顺序为磷酸铁锂电池＞锰酸锂电池＞三元材料电池（NCM、NCA）＞钴酸锂电池。目前，方形电芯在国内成为动力锂电池的主流。圆形和方形锂电池技术特性对比,见表1 所示。



2 动力锂电池起火原因

2.1 电动汽车起火案例分析

电动汽车起火案例分析表明，起火原因大多是由于动力锂电池热失控所致。通过对某型电动汽车一年起火时间分析，发现在温度较高的5-8 月，起火案例起数占总数的52%以上，环境温度过高是动力锂电池起火的因素之一；从该电动汽车起火案例中车辆运行状态统计还发现，充电过程中起火占比为68%，行驶过程起火占比为20%，静止和其他情况下起火占比为12%。

2.2 动力锂电池热失控发生机制

电动汽车使用过程是动力锂电池的充放电循环过程，会发生复杂的化学反应。由于负极表面SEI 膜的热稳定特性，当温度达到120～140 ℃时会发生热分解。SEI 膜分解会使负极裸露，直接与电解液接触，发生剧烈的还原反应，并放出大量可燃性气体，同时释放出大量的热。

当SEI 膜分解释放的热使电芯温度达到180～200 ℃时候，正极开始发生分解。正极分解过程中释放原子态氧，原子态氧的活性很高，会直接导致电解液剧烈氧化分解，短时间内电芯积聚大量的热。

当温度过高或充电电压过高时，发生潜在的放热副反应，热量聚集时，电芯温度和压力急剧上升，导致热失控发生，其中正极热分解量最大。不同正极材料的电芯热稳定性不同，三元材料的电芯热分解相对较低，磷酸铁锂在200～400 ℃时基本不分解，随着镍含量的增加，高镍三元正极热分解温度越来越低，放热量越来越大，温度在120 ℃左右就开始发生热分解。

当动力锂电池散热性能不达标，化学反应释放的热量使温度升高，促使化学反应速率呈指数级增大，系统进入自加温状态，发生热失控。另外，电芯都装配有泄压阀，动力锂电池也会配备防爆阀，当电池压力达到6～8 Pa 时会泄压。在泄压过程中，电解液的闪点很低，电解液蒸气在喷出时，与防爆阀的摩擦足以导致动力锂电池燃烧。由此可见，动力锂电池起火的特点是不会发生剧烈爆炸，但具有燃烧迅速的特点。

2.3 动力锂电池起火过程

为验证电动汽车动力锂电池的起火过程，笔者与研究人员进行了某型号动力锂电池的热失控过程验证试验。试验设备包括电池包监控上位机、加热片、万用表等。动力锂电池参数，见表2 所示。试验内容包括：电池模组和电池包的单颗电芯热失控发生的条件；热失控后扩散的进程和范围；电池包进水后的放电情况及放电过程中出现的异常情况。试验过程的数据与现象，见表3 所示。



使用加热片对动力锂电池中的单颗电芯进行1.7 h 加热。加热1 h 时,温度到达125 ℃ ，后续温度一直保持不变，其间电芯有炸裂声，但声音不明显。试验结束后，该电芯防爆阀开启，没有发生爆炸和引起周边电芯热失控，电池包完好，如图2 所示。试验结果表明，单电芯热失控不一定会引起整包热失控。




使用加热片对动力锂电池模组中间处的电芯进行加热，见表4 所示。在加热5 min 后，开始出现异常现象，此时温度为185.6 ℃，在9 min 后停止加热，由于反应不断进行，模组温度达到512.3 ℃时出现明火，火势迅速蔓延至整个模组，如图3 所示。



使用加热片对动力锂电池中的模组进行加热，电芯在受热到210 ℃时发生剧烈反应（此过程4 min 左右），出现泄气或炸裂现象，同时1 min 内周边电芯开始发生连锁反应，发生间断炸裂。12 min 后，电池包内压强增加，电池出现鼓包现象。电池包泄压导致电池包内剧烈反应出现明火，历时20 min 左右，说明动力锂电池起火具有火势猛烈、蔓延迅速的特点，如图4 所示。



通过试验发现，单体的热失控会引发模组的热失控从而导致整个锂电池的热失控，其起火过程如图5 所示。



3 动力锂电池灭火技术

3.1 灭火器的选择及种类配置

根据GB 50140- 2005《建筑灭火器配置设计规范》，汽车充电站属于E 类火灾场所，其最大保护距离和单具灭火器最低配置不应低于A 类火灾的规定。E 类火灾可采用磷酸铵盐干粉灭火器、碳酸氢钠干粉灭火器或二氧化碳灭火器。根据T/CSAE 84-2018《电动汽车火灾事故救援规程》规定，考虑到插电式混合动力汽车及纯电动汽车锂电池内部燃烧特点，磷酸铵盐干粉灭火器无法达到持续降温的目的，灭火效果不佳，建议选用二氧化碳灭火器和水基型灭火器。

3.2 灭火操作

动力锂电池起火具有高热量、火势猛烈、蔓延迅速、只燃烧不爆炸、火势难以扑灭的特点。笔者建议：一是火灾初期可采用水基型灭火器进行控制；二是针对燃烧产生大量的热量，在断电情况下对电动汽车用大量的水进行降温、控火，防止向毗邻区域蔓延；三是用河沙对起火电动汽车底部进行覆盖，控制火势蔓延。

3.3 安全管理注意事项

（1）设置位置。考虑到电动汽车的火灾危险性及灭火难度，电动汽车及充电桩最好设置在室外，如确需设置在室内及地下车库，应集中设置，并与其他车库之间进行有效的防火分隔，相邻两个充电桩之间应保持相应的防火间距，不宜小于2 m。

（2）配齐设施。按照要求配置相关数量的灭火器材和固定消防设施，根据实际情况配备室内外消火栓系统、移动式干粉（水基型）灭火器、河沙和相关监控设备。

（3）电源管理。充电桩配电箱的电源控制开关应统一管理，在紧急情况下能第一时间断电，防止火势蔓延扩大，同时为灭火救援提供安全保障。

（4）其他管理要求。充电区域应制定统一的操作规程和安全宣传栏，充电期间原则上不准离人，并设置监控设备和微型消防站，出现异常时第一时间发现并处置，及时报火警。