中科大研究員王青松談鋰離子電池火災滅火技術
發表日期：2021-04-01 文章來源：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，會上，中國科學技術大學研究員王青松發表了題為“電化學儲能電站安全保障技術”的主題演講。
在國家政策與社會發展需要的雙重推力下，電化學儲能與新能源汽車市場快速發展，鋰離子電池的總體保有量逐年增長。由于鋰離子電池較為活躍的性質，當其處于各類濫用狀態時極易發生熱失控繼而導致火災。因此近年來，不論是在儲能還是新能源汽車領域，鋰離子電池火災爆炸事故多發。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生的主要原因。簡單來說，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，內部產生枝晶生長，從而產生大量熱量，引起電池火災；熱濫用是指由外在的環境溫度，或者其他的因素引起的電池的發熱，也會導致著火，而后產生大量氣體。
從防控方法上來說，第一個是電池的本體安全，通過對鋰離子材料進行改性，添加阻燃介質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發生熱失控和火災。
第二個是過程安全，通過對鋰離子電池進行實時狀態監測，對其發展趨勢進行預測，從而進行分級預警。
最后是消防安全，通過各類滅火劑對鋰離子電池火災抑制效果的比較，篩選出較優滅火劑；并通過合理的工況設計使各類滅火系統在電池火災中發揮更好的滅火效果。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間開展相應的試驗。設置的試驗條件和實際系統里有所不同，試驗針對單個電池，沒有包裹物和覆蓋物，所以滅火劑能夠完全作用在電池上。觀察使用干粉滅火劑和沒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程中電池內部的化學反應。另外，在不同噴射距離、噴射角度、不同噴射時間下，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，使用水霧進行滅火，很快火焰被抑制，但是溫度有升高趨勢，左邊是沒有使用水霧的時候，溫度非常高，接近八百度，但是使用水霧之后，有一個快速降溫的過程。在對單個電芯進行試驗之后，接著對電池組開展滅火試驗，發現施加水霧可以有效延長熱失控蔓延時間，降低熱失控的劇烈程度，停止噴射之后，產生火花，導致復燃。同時，后期可以看到電池再次發生熱失控，所以要想達到比較好的效果，水霧噴射時間必須要足夠長。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，對消防救援人員來說，增加了危險性，所以鋰電池火災一定要及時撲滅。
第三個是七氟丙烷，七氟丙烷試驗采用的是50AH鋰離子電池，釋放時七氟丙烷的壓力比較大，對火焰有一個沖擊的作用，能夠有效滅火。從三個電芯電池組滅火的效果看，火焰也能夠被抑制，物理降溫的同時起到化學抑制的作用，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，出現明顯射流火過程。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，接觸高溫電池后，可通過相變帶走大量熱量。另外，它可以切斷火焰燃燒的自由基，說明更多的是化學抑制的作用。在試驗過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，溫度產生較高的回升，后期增大劑量以優化全氟己酮滅火的降溫效果，通過對多個表面溫度共同擬合后尋找較優的用量。
單一的全氟己酮在降溫上不太理想，所以和細水霧結合進行了試驗，結果發現全氟己酮和細水霧聯合作用時，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行了對比。在自由燃燒時，噴射二氧化碳、七氟丙烷、細水霧，分別觀察滅火效果。使用二氧化碳后仍存有火焰，使用七氟丙烷之后也發生少量的燃燒，使用細水霧沒有發生燃燒的情況，相對來說細水霧的降溫效果比二氧化碳和七氟丙烷要好一些。
這個是科大火災實驗室和中科中渙共同開發的大尺度電池包滅火試驗，用的是鐵鋰300安時的電池，著火燃燒之后進行滅火，火慢慢滅掉的同時對它進行持續降溫，這樣達到滅火和降溫的組合效果。
通過以上研究，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，并且有的會出現復燃，當全氟己酮和細水霧滅火系統協同作用時，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。