隨著電動汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，動力鋰電池火災呈多發(fā)態(tài)勢。研究發(fā)現(xiàn)，電動汽車發(fā)生火災多是由于其內(nèi)部動力鋰電池熱失控所致，動力鋰電池起火引發(fā)的電動汽車滅火技術逐漸引起各界的重視。

1 動力鋰電池結構

動力鋰電池作為整車動力來源，是電動汽車發(fā)展的核心技術。目前，在電動汽車上主要應用的電芯按外形分為圓形和方形，其中，圓形電芯有18650、21700 兩種。典型圓形電芯和方形電芯的結構,如圖1 所示。



鋰電池按外包材料可分為鋁殼鋰電池、鋼殼鋰電池、軟包電池。按正極材料可分為鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳（NCM）、鎳鈷鋁（NCA）、磷酸鐵鋰（LFP）。其熱穩(wěn)定性大小順序為磷酸鐵鋰電池＞錳酸鋰電池＞三元材料電池（NCM、NCA）＞鈷酸鋰電池。目前，方形電芯在國內(nèi)成為動力鋰電池的主流。圓形和方形鋰電池技術特性對比,見表1 所示。



2 動力鋰電池起火原因

2.1 電動汽車起火案例分析

電動汽車起火案例分析表明，起火原因大多是由于動力鋰電池熱失控所致。通過對某型電動汽車一年起火時間分析，發(fā)現(xiàn)在溫度較高的5-8 月，起火案例起數(shù)占總數(shù)的52%以上，環(huán)境溫度過高是動力鋰電池起火的因素之一；從該電動汽車起火案例中車輛運行狀態(tài)統(tǒng)計還發(fā)現(xiàn)，充電過程中起火占比為68%，行駛過程起火占比為20%，靜止和其他情況下起火占比為12%。

2.2 動力鋰電池熱失控發(fā)生機制

電動汽車使用過程是動力鋰電池的充放電循環(huán)過程，會發(fā)生復雜的化學反應。由于負極表面SEI 膜的熱穩(wěn)定特性，當溫度達到120～140 ℃時會發(fā)生熱分解。SEI 膜分解會使負極裸露，直接與電解液接觸，發(fā)生劇烈的還原反應，并放出大量可燃性氣體，同時釋放出大量的熱。

當SEI 膜分解釋放的熱使電芯溫度達到180～200 ℃時候，正極開始發(fā)生分解。正極分解過程中釋放原子態(tài)氧，原子態(tài)氧的活性很高，會直接導致電解液劇烈氧化分解，短時間內(nèi)電芯積聚大量的熱。

當溫度過高或充電電壓過高時，發(fā)生潛在的放熱副反應，熱量聚集時，電芯溫度和壓力急劇上升，導致熱失控發(fā)生，其中正極熱分解量最大。不同正極材料的電芯熱穩(wěn)定性不同，三元材料的電芯熱分解相對較低，磷酸鐵鋰在200～400 ℃時基本不分解，隨著鎳含量的增加，高鎳三元正極熱分解溫度越來越低，放熱量越來越大，溫度在120 ℃左右就開始發(fā)生熱分解。

當動力鋰電池散熱性能不達標，化學反應釋放的熱量使溫度升高，促使化學反應速率呈指數(shù)級增大，系統(tǒng)進入自加溫狀態(tài)，發(fā)生熱失控。另外，電芯都裝配有泄壓閥，動力鋰電池也會配備防爆閥，當電池壓力達到6～8 Pa 時會泄壓。在泄壓過程中，電解液的閃點很低，電解液蒸氣在噴出時，與防爆閥的摩擦足以導致動力鋰電池燃燒。由此可見，動力鋰電池起火的特點是不會發(fā)生劇烈爆炸，但具有燃燒迅速的特點。

2.3 動力鋰電池起火過程

為驗證電動汽車動力鋰電池的起火過程，筆者與研究人員進行了某型號動力鋰電池的熱失控過程驗證試驗。試驗設備包括電池包監(jiān)控上位機、加熱片、萬用表等。動力鋰電池參數(shù)，見表2 所示。試驗內(nèi)容包括：電池模組和電池包的單顆電芯熱失控發(fā)生的條件；熱失控后擴散的進程和范圍；電池包進水后的放電情況及放電過程中出現(xiàn)的異常情況。試驗過程的數(shù)據(jù)與現(xiàn)象，見表3 所示。



使用加熱片對動力鋰電池中的單顆電芯進行1.7 h 加熱。加熱1 h 時,溫度到達125 ℃ ，后續(xù)溫度一直保持不變，其間電芯有炸裂聲，但聲音不明顯。試驗結束后，該電芯防爆閥開啟，沒有發(fā)生爆炸和引起周邊電芯熱失控，電池包完好，如圖2 所示。試驗結果表明，單電芯熱失控不一定會引起整包熱失控。




使用加熱片對動力鋰電池模組中間處的電芯進行加熱，見表4 所示。在加熱5 min 后，開始出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，此時溫度為185.6 ℃，在9 min 后停止加熱，由于反應不斷進行，模組溫度達到512.3 ℃時出現(xiàn)明火，火勢迅速蔓延至整個模組，如圖3 所示。



使用加熱片對動力鋰電池中的模組進行加熱，電芯在受熱到210 ℃時發(fā)生劇烈反應（此過程4 min 左右），出現(xiàn)泄氣或炸裂現(xiàn)象，同時1 min 內(nèi)周邊電芯開始發(fā)生連鎖反應，發(fā)生間斷炸裂。12 min 后，電池包內(nèi)壓強增加，電池出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象。電池包泄壓導致電池包內(nèi)劇烈反應出現(xiàn)明火，歷時20 min 左右，說明動力鋰電池起火具有火勢猛烈、蔓延迅速的特點，如圖4 所示。



通過試驗發(fā)現(xiàn)，單體的熱失控會引發(fā)模組的熱失控從而導致整個鋰電池的熱失控，其起火過程如圖5 所示。



3 動力鋰電池滅火技術

3.1 滅火器的選擇及種類配置

根據(jù)GB 50140- 2005《建筑滅火器配置設計規(guī)范》，汽車充電站屬于E 類火災場所，其最大保護距離和單具滅火器最低配置不應低于A 類火災的規(guī)定。E 類火災可采用磷酸銨鹽干粉滅火器、碳酸氫鈉干粉滅火器或二氧化碳滅火器。根據(jù)T/CSAE 84-2018《電動汽車火災事故救援規(guī)程》規(guī)定，考慮到插電式混合動力汽車及純電動汽車鋰電池內(nèi)部燃燒特點，磷酸銨鹽干粉滅火器無法達到持續(xù)降溫的目的，滅火效果不佳，建議選用二氧化碳滅火器和水基型滅火器。

3.2 滅火操作

動力鋰電池起火具有高熱量、火勢猛烈、蔓延迅速、只燃燒不爆炸、火勢難以撲滅的特點。筆者建議：一是火災初期可采用水基型滅火器進行控制；二是針對燃燒產(chǎn)生大量的熱量，在斷電情況下對電動汽車用大量的水進行降溫、控火，防止向毗鄰區(qū)域蔓延；三是用河沙對起火電動汽車底部進行覆蓋，控制火勢蔓延。

3.3 安全管理注意事項

（1）設置位置?？紤]到電動汽車的火災危險性及滅火難度，電動汽車及充電樁最好設置在室外，如確需設置在室內(nèi)及地下車庫，應集中設置，并與其他車庫之間進行有效的防火分隔，相鄰兩個充電樁之間應保持相應的防火間距，不宜小于2 m。

（2）配齊設施。按照要求配置相關數(shù)量的滅火器材和固定消防設施，根據(jù)實際情況配備室內(nèi)外消火栓系統(tǒng)、移動式干粉（水基型）滅火器、河沙和相關監(jiān)控設備。

（3）電源管理。充電樁配電箱的電源控制開關應統(tǒng)一管理，在緊急情況下能第一時間斷電，防止火勢蔓延擴大，同時為滅火救援提供安全保障。

（4）其他管理要求。充電區(qū)域應制定統(tǒng)一的操作規(guī)程和安全宣傳欄，充電期間原則上不準離人，并設置監(jiān)控設備和微型消防站，出現(xiàn)異常時第一時間發(fā)現(xiàn)并處置，及時報火警。