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消防科普 | 锂离子电池着火与爆炸机理、防控和逃生
来源: | 作者:sztoyun | 发布时间: 2024-05-14 | 75 次浏览 | 分享到:
近年来,锂离子电池以其能量密度高、功率密度高、自放电小和寿命长等优点,在电动自行车、电动汽车、电动工具、消费电子和储能等领域被广泛使用,拥有着广阔的市场应用前景。但是,频发的锂离子电池火灾事故,严重制约着锂离子电池在电动自行车、电动汽车、电池储能等领域的发展[1-3]。导致锂离子电池火灾事故的主要原因是:热失控。热失控是电池中发生的一系列不可控的链式放热副反应,引起电池内部温度急剧上升,进一步加剧放热副反应,导致电池安全阀打开、喷气、冒烟,甚至出现着火和爆炸等现象。


01

锂电子电池着火与爆炸机理

火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。燃烧是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应,通常伴有火焰、发光和发烟的现象[4]。

1.1




燃烧四要素

火灾是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。燃烧是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应,通常伴有火焰、发光和发烟的现象[4]。

1.2




着火与爆炸

按照燃烧的条件和发生瞬间的特点,燃烧可以分为着火和爆炸[4]。着火是指可燃物和助燃物在较大的空间下进行的燃烧,或者是可燃物与助燃物(氧化剂)逐渐进行的燃烧。爆炸是指可燃物与助燃物在密闭空间内充分均匀混合后进行的燃烧。

1.3




锂离子电池着火与爆炸的诱因 

锂离子电池着火与爆炸的诱因通常被分为以下三类:机械滥用、电滥用和热滥用[1]。
(1)机械滥用

由于碰撞、挤压或针刺等导致电池机械变形甚至隔膜部分破裂引发内短路。

(2)电滥用

外短路、过充、过放、大电流充电或低温充电等导致电池发生短路。

(3)热滥用

加热、暴晒等导致电池温度过高,导致SEI膜和隔膜等发生破坏,正负极短路。

上述3类诱因的共同环节为内短路。实际上导致锂离子电池着火与爆炸的诱因还有:化学和材料滥用、设计和工艺滥用、制造和环境滥用等。

1.4




锂离子电池着火与爆炸机理

当锂离子电池存在各种滥用时,锂离子电池的温度会上升。图2是锂离子电池热失控中各种反应的反应温度范围和放热量[1]。


随着温度的上升,锂离子电池中的副反应状况:
(1)0℃~45℃,副反应很少
锂离子电池的通常使用温度在0℃~45℃,在这个温度范围内,锂离子电池副反应很少。 
(2)45℃~60℃,小电流下副反应也很少
在45℃~60℃温度范围内,在小电流充放电情况下,锂离子电池副反应也很少。当电池温度达到45℃以上,要核查一下原因,查看电池有无异常,如有异常,及时断电和处理。
(3)60℃~100℃,高温容量衰减
随着电池温度上升,当温度高于60℃,电池中副反应增加,导致电池容量衰减。
(4)80℃~120℃,固体电解质膜(SEI)分解
一般认为SEI膜分解温度在80℃~120℃之间。当电池温度达到80℃,SEI膜开始分解反应,当电池温度达到90℃, SEI膜分解反应变得明显。
(5)130℃~250℃,负极与电解液反应
负极表面失去SEI膜后,负极与电解液中的碳酸酯类溶剂发生副反应,生成碳酸锂、乙烯、乙烷和丙烷等,放出大量的热,锂离子电池的温度继续上升。
(6)120℃~270℃,隔膜关闭、收缩和分解,正负极短路
当温度达到130℃时,PE隔膜开始熔化和热收缩,形成闭孔效应。当温度达到170℃时,PP隔膜开始熔化和热收缩,隔膜开始解体。当隔膜解体后,正极和负极会连接在一起,发生短路,放出大量热,电池温度进一步升高。
(7)150℃~450℃,安全阀打开和气体喷出
高温下,电池中会发生很多反应:电解质和溶剂分解反应、负极与粘接剂反应、正极与电解液反应、正极材料分解反应等,产生一氧化碳、二氧化碳、氟化氢、乙烯、乙烷、氢气和氧气等多种气体,电池内部压力不断增大。当电池内部压力大于安全阀开启压力,安全阀被打开,高温高压气体喷出。
(8)350℃~650℃,喷出气体的着火和爆炸等过程
喷出的气体中含有大量可燃气体,当遇到空气,温度达到燃点或有引火源时,满足燃烧的条件,就会着火并放出大量的热量,温度可高达900℃。如果可燃气体与空气在密闭空间内充分均匀混合,满足燃烧条件,就会发生爆炸。燃烧结束后,残余物会冷却至环境温度。

1.5




锂离子电池着火与爆炸的蔓延机理

单个电池在滥用(碰撞、过充、过热等)条件下,发生着火或爆炸后,释放出大量的热量,其中部分热量向周边电池进行传递,引起周边电池温度上升,引发周边电池内部发生副反应,甚至发生着火和爆炸,导致锂离子电池着火与爆炸的蔓延。


02

锂离子电池着火与爆炸的防控

锂离子电池发生着火或爆炸的防控措施如下: 

2.1




提高电池质量

采用合格原材料、设计和制造工艺,确保电池的正极、负极、电解液、隔膜等材料的组成、结构和性能符合要求,提高电池、模组、电池包和电池系统的质量和安全防护。

2.2




安装火灾预警、报警、灭火和应急疏散系统

安装电池火灾预警、报警、灭火和应急疏散系统,对早期电池故障进行识别、预警和报警,启动应急疏散系统指引现场人员远离火。通过卷帘门和防火门等隔离设备,抑制火灾蔓延。同时,通过灭火系统,迅速控制和扑灭火灾。

2.3




加强电池安全使用和管理维护

采用正规厂家生产的合格电池,避免电池的各种滥用(碰撞、针刺、过充、过热等),加强管理。电池有异常时,要及时地断电并处理。

2.4




发生火灾时的应对措施

在发现电池出现冒烟、着火和爆炸等情况,要及时拨打“119”报警,报警时要说清地址、着火物、火势大小、报警人姓名和电话号码,并注意倾听和正确回答消防队员的询问。火势较小时,在保证自身安全的前提下,切断电源,用灭火器或水进行灭火。在火势较大或无法迅速控制火势的情况下,要立即撤离到安全地带,疏散人群,远离火灾现场并立即报警。


03

                 逃     生            

电池火灾会迅速产生大量高温有毒有害的气体和浓烟,如一氧化碳等。在电池发生火灾时,要尽快逃生。需要注意以下两个方面:

3.1




保持镇定,积极应对火灾,尽快逃生

首先要将生命安全放在第一位,远离电池火灾现场,如果无法逃离现场,要尽量寻找相对安全的地方等待救援。逃生时,要保持镇定,做出正确的逃生决策,如果发现决策错误,要立即改正。不要贪恋财物,不盲目从众。有条件时,在确保自身安全的情况下,积极进行灭火,移走可燃物,关闭门窗,阻止火灾蔓延,用水或水龙头或消火栓进行灭火和降温,扩大生存空间和逃生通道。同时,通知区域内人员火灾情况,做好应对措施,有序逃生。

3.2




防触电、防毒气、防灼伤和防爆炸

在逃生时,要尽量避开气体、烟雾、燃烧和爆炸区域和空间,并戴好防护器具。如果没有防护器具,要屏气并迅速离开现场,不可乘坐普通电梯,到达安全区域再呼吸。及时切断电源,防止触电。


锂离子电池正深刻地影响着我们的日常生活,改变着我们的生活方式。未来,锂离子电池还有很多的潜力等待我们去发掘,但是锂离子电池的安全性管理工作已经刻不容缓。在使用锂离子电池的过程中,要加强电池安全使用和管理维护。在发生电池火灾的时候,要沉着冷静,在保证生命安全的前提下,积极灭火。在逃生过程中,做好自身防护,防止触电、灼伤等事故的发生。

来源青鸟消防