锂离子电池安全机理及火灾事故处置对策

袁光辉

西双版纳州消防救援支队景洪大队 云南西双版纳 666100

摘 要：锂离子电池作为一个能量聚合体，电池内部高温短路形成热失控引发火灾，在处置中，不能从外部有效阻隔助燃物和可燃物，不能切断电池内部链式反应，火灾机理与其他类型火灾有着较大区别，对灭火救援提出新要求。因此，研究锂离子电池安全机理及火灾事故处置对策具有重要意义。

关键词：锂离子电池；事故处置；热失控；火灾

1. 锂离子电池概述

锂离子电池是近年来兴起的高性能二次电池，即为蓄电池，当电池的电量用到一定程度时，可以用规定的充电器充电以恢复电量，可反复充电、放电，实现多次使用，设备重量和体积小，使用寿命长，成为很多电子设备的储能电池。

锂离子电池是负极材料为锂元素，可以反复充电、放电，多次使用的二次电池的总称，而锂电池是以金属锂为负极材料，只能进行一次放电、不可以充电再利用的总称。

充电是通过外电源让电池的电压和容量得到升高，促使电能转化成化学能的过程。放电则是电流经电池导流至外部电路，促使化学能转化为电能的过程。

锂离子电池实质是由正、负极两种不同的锂离子嵌入化合物组合形成的一种锂离子浓差电池。其正极使用能够接纳锂离子的位置和扩散路径的材料，目前使用较多的正极材料，如Li_xCo0₂、Li_xNi0₂以及尖晶石结构的Li_xMn₂0₄。负极材料主要使用锂碳层间化合物Li_xC，电解质主要是有机溶液，如锂盐。当前使用较多的锂离子蓄电池主要由正极钴酸锂（Li_xCo0₂）、焦炭及石墨组成的负极和有机电解液组成。

在充电状态下的锂离子电池，锂离子（Li⁺）从正极材料中脱嵌而出，正、负极两侧电解液出现浓度差，从高浓度侧（正极侧）通过隔膜达到低浓度侧（负极侧）并嵌入负极材料中。负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给碳负极，保证负极的电荷平衡。放电则是从负极脱嵌的锂离子（Li⁺）嵌入正极，电子的补偿电荷从外电路流动形成电流，从而使化学能转化为电能。

2. 锂离子电池火灾发生机制

随着锂离子电池的广泛运用，市场需求逐步加大，由于锂离子电池处于相对封闭的小型空间内，电池内部正负极小分子的链式反应，使用安全隐患也随着上升，除了正常的充放电反应外，还存在许多潜在的放热副反应，其中电池热失控是引发锂离子电池安全问题的主要原因，电池在热失控状态下，内部化学反应产生的热量速度远远高于散热速度，大量热能聚集在电池内，致使电池内部温度快速升高，最终引起电池燃烧或爆炸。

锂离子电池火灾发生机制主要有以下阶段：

首先是热失控开始阶段，当电池内温度迅速上升到90-100℃时，电池内部负极的SEI膜钝化层开始分解并释放大量热量，当温度上升到110-120℃时，分解释放出CO₂。SEI膜钝化层的分解使电池内部温度升高的同时，还促进电池内电解液和正极之间的反应，当温度分别上升至135℃和166℃时，电池内部PE和PP隔膜开始溶解，隔膜破坏，致使正极和负极相互接触，电池内部形成短路，从而引发内部温度急剧升高。

其次是电池鼓包阶段，在内部温度达到250-300℃时，电解液的主要成分碳酸乙烯酯（C₃H₄O₃）、碳酸二甲酯（C₃H₆O₃）及碳酸丙烯酸（C₄H₆O₃）和锂（Li）发生剧烈放热反应，释放出大量烷烃类（CH₄、C₂H₆等）易燃易爆气体。

第三阶段是电池爆炸失效阶段，由于电池内部空间有限，在充电状态下内部正负极和电解液不断发生氧化分解反应，并持续放热和释放易燃易爆气体，引发电池剧烈燃烧，达到气体爆炸极限后引发电池爆炸。

3. 锂离子电池安全问题

锂离子电池是现在最流行的便携式电子产品的电池类型之一，它具有重量轻、高能量密度、低自放电等特性。锂离子电池在当前已经朝着动力电池和中大型电池方向急速发展，锂离子的需求量也在相对增加，同时，锂离子电池因高温、过充、穿刺、使用不当或外部高温等情况下，造成内部短路致使电池内部高温，发生电池燃烧爆炸事故。

锂金属作为锂电池的负极材料，能够最大程度实现锂电池能力密度的目标，并且被逐步推向商业化，广泛运用于电子产品、电动汽车等领域。当前，在国家政策驱动下，新能源汽车大幅发展，将由政策驱动向市场驱动的转化，提升其新能源汽车续航历程是市场化的最为关键的因素之一，由于锂离子电池具备高能量密度的特性，在将来，动力电池、中小型电池是锂离子电池增长的主要方向。

近年来，很多锂离子电池的爆炸事故表明，直接使用锂金属作为负极材料存在致命的技术问题，电池在充放电过程中锂金属负极会不断形成锂枝晶，锂枝晶的形成和积累会穿透内部隔膜，致使正、负极接触，造成电池内部短路，持续的氧化放热，导致电池燃烧爆炸。

四、锂离子电池安全问题引发的因素

锂离子电池的安全性从根源上来说，是因为电池本身的不稳定性、热失控而造成的，正极材料与电解液反应是导致热失控的主要原因。造成锂离子电池安全问题的因素主要存在以下三种：

1. 电极材料热稳定不高。生产厂商在生产过程中使用不合格的正负极材料、使用未经阻燃处理的电解液及电池隔膜材质，或者用户自行改装导致各电池单体的容量、内阻、放电平台匹配不一致。

（二）电池散热性能降低。一般情况下，锂离子电池的容量大小与其安全稳定性成反比，电池容量的增大，电池体积也随之增加，其使用时间越长，电池散热性能变差，运行状态下，电池内部物质发生电化学反应持续放热，内部散热性能降低，不能有效排除其热量，热量积蓄出事故的可能性将大幅增加。

（三）电池热管理不当。电池在震动状态下进行使用，导致内部小分子运行不规律；擅自改装使用电池，致使功率不匹配；电池过充装置保护失效、不按照匹配电池特性进行恒温充电等，致使电池处于过充过流过放状态，电池在温度较高的环境下运行，增加了电池的安全隐患。

五、锂离子电池热失控的主要危害

锂离子电池是现在最流行的便携式电子产品的电池类型之一，它具有重量轻、高能量密度、低自放电等特性。锂离子电池在当前已经朝着动力电池和中大型电池方向发展，锂离子的需求量也在相对增加。同时，锂离子电池因高温、过充、穿刺、使用不当或外部高温等情况下，造成内部短路致使电池内部高温，发生电池燃烧爆炸事故。

（一）释放高温、有毒、可燃烟气

锂离子电池热失控，电池内部温度持续升高，分解反应不断散发热量和氧气，温度达到150℃时，电解液成分发生放热反应产生毒性成分主要有CO₂、HF气体和碳氢化合物，可燃气体包括H₂、碳氢化合物等，可燃气体聚集容易产生爆炸、冲击等次生灾害，严重危及人身安全。

（二）电池火灾为多特性火灾

电池火灾具有固体、液体、气体以及带电火灾等属性，其中电池电芯（石墨负极、隔膜）属于可燃性固体，电池电解液属于可燃液体，电池热失控析出的的气体主要有H₂、O₂、碳氢化合物等可燃气体，同时，电池属于带电体，发生火灾具有带电火灾特性。

（三）热释放速率快

以200Ah磷酸铁锂电池为例：电池在满电状态下，热释放速率为2.91MW/㎡，半电状态下，热释放速率为1.55MW/㎡，放空状态下，热释放速率为1.22MW/㎡，汽油热释放速率为2.2MW/㎡，燃油热释放速率为1.1MW/㎡，聚乙烯热释放速率为0.9MW/㎡，从数据可得知，200Ah磷酸铁锂电池满电状态下单位面积热释放速率大于汽油单位面积热释放速率，200Ah磷酸铁锂电池半电及放空状态下单位面积热释放速率大于燃油和聚乙烯单位面积热释放速率，同时，电池热失控会形成射流火，温度峰值将会超过1500℃，充分说明电池火灾蔓延速度极快，极易给人员安全疏散和逃生预留的时间短。

（四）爆炸当量高

单个电池模块（10KWh）完全热失控，释放的可燃气体聚集爆炸TNT当量约0.75kg，整电池组（200KWh）完全热失控，释放的可燃气体爆炸TNT当量约15kg，在处置中极易给消防员在处置中造成人身伤害。

（五）电池火灾具有深位火灾属性

电池中的电芯、电解液位于电池壳体内，发生故障后，主要是内部发生化学放热反应，内部温度持续升高导致电池热失控，发生火灾后，火势在电池内部向外蔓延燃烧，由于壳体耐火极限较高，内部火势不能及时烧穿，气体和液体灭火介质难于抵达，不能有效实施灭火。

（六）电池火灾持续时间长

锂离子电池火灾是内源性火灾，并持续放热，往往伴随重复熄灭、复燃过程，复燃时间甚至长达数小时至数天，并长时间释放含铜氧化物、锂化物、磷化物的灰烬，在灭火救援过程中火灾对救援人员具有欺骗性，甚至在复燃中会产生爆炸的危险，灭火救援安全隐患较大。

六、锂离子电池火灾事故处置对策

锂离子电池主要由于热失控及受周围环境温度影响而引发火灾，其火灾主要是从内向外蔓延，内部物质在高温情况下氧化分解，产生大量可燃有毒气体。电池自身带电属性，持续高温致使电池热失控，短时间内发生燃烧爆炸，处置中必须掌握科学的处置对策，才能有效控制火势。

（一）科学研判，安全高效处置火灾

接到锂离子电池火灾事故报警事故后，第一时间研判灾情，并与工程技术人员取得联系，详细询问电池种类、类型、带电负荷情况，掌握锂离子电池发生场所的情况。到场后，做好外围控火的同时，第一时间成立侦查小组，利用测温仪及热成像仪、有毒及可燃气体探测仪、漏电检测仪全面检测现场高温、有毒气体、可燃气体、带电情况。科学评估现场危害，及时掌握起火部位及蔓延形式。

根据灾害特性，在做好防护的情况下，关闭总电源，结合现场情况，采取控制火势、冷却抑爆、隔绝窒息等战术方法进行处置。由于电池的带电属性，在扑救中，应当合理选用灭火药剂，比如选用七氟丙烷、ABC类灭火器、二氧化碳灭火器、高压细水雾等，切忌盲目使用直流水枪进行灭火。

现场处置人员必须按照防护等级严格做好个人防护，进入高温、热辐射或有爆炸危险的区域时，必须穿着隔热服、避火服或者防爆服，在带电区域作战时，必须穿戴电绝缘服、绝缘手套、绝缘鞋等防护装备，确保个人防护到位的情况进行处置。

（二）强化管控，正确处理紧急情况

到场处置时，车辆停靠在现场的上风或者侧上风方向，且停靠在地面坚实的地段，与起火物保持安全距离，车头朝撤离方向。根据现场情况，按照事故严重程度合理划定警戒范围，将现场划定为火灾扑救区、伤员转运区及人员装备集结区，对事故区域严格管控，安排专人对进入火灾扑救区域人员严格检查登记（主要检查进入人员的防护装备是否符合要求、进出时间、人数及注意事项），使用可燃气体探测仪及有毒气体探测仪对现场可燃有毒气体情况进行实时监测，运用测温仪及热成像仪对起火部位高温情况进行监测，适时调整警戒范围，科学设置水枪阵地，现场指挥员与现场处置人员约定撤退信号和路线，始终做到号令一致，确保队员在紧急情况下能迅速反应，安全避险。

（三）救人第一，及时疏散救助被困人员

锂电池火灾事故现场伴随有大量可燃、腐蚀、有毒气体释放，灾害现场被困人员生命受到巨大威胁。在处置中，必须全面贯彻“救人第一、科学施救”的指导思想，始终将救助人员生命作为第一要务。若在建筑内的锂离子电池火灾，第一时间扑救疏散通道、楼梯间的火灾，确保疏散通道安全可靠，紧急情况下，迅速组织力量从外部搭建救生通道。电动汽车火灾中人员被困，要在全面稀释冷却下，及时破拆开辟救生通道。同时，在处置锂离子电池火灾过程中，要紧密结合现场情况，按照消除火灾四要素（可燃物、助燃物、引火源、链式反应），在条件允许情况，及时进行现场破拆，拆除电池结构，转移着火电池本体。组织精干力量搜救现场被困人员，确保搜救全覆盖、无死角。

（四）加强监测，防止火灾复燃爆炸

锂离子电池火灾伴随内部放热氧化的化学反应，是一个持续放电燃烧的过程，具有深位火灾特性，内部无法短期扑救，持续时间长，容易发生复燃爆炸。在处置中，必须全程设置安全员和观察哨，利用细水雾或开花水枪适时降温排毒，使用可燃气体探测仪及有毒气体探测仪对现场可燃有毒气体情况全程监测，运用测温仪及热成像仪对电池内部温度情况进行监测，现场做好供水保障，确保供水持续不间断。持续冷却降温至电池温度降到环境温度以下，避免电池内部热失控发生复燃情况。

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