锂电池起火怎么灭火

2018-05-08      3787 次浏览

        锂电池起火原因,可以划分成两个大部分,自身原因和外部原因。自身原因主要是指自身材料、结构热稳定性的好坏,对火灾发生与否的影响;外部原因,指各种滥用手段,引发的锂电池火灾。


  锂电池由正极材料,负极材料和电解液组成,这几部分的热稳定性,直接影响着电芯发生热失控的可能性。


  负极材料的热稳定性的影响因素


  目前应用的负极材料,绝大部分是碳材料。在高温条件下,石墨容易与电解液发生反应,尤其电池荷电量高的状态,LiC6更是能够提升反应的激烈性。


  有研究发现,负极开始反应放热的温度起点,与碳材料的颗粒度有关,颗粒越大,其开始反应的温度就越高,也就越安全。同时,不同结构的碳材料参与电解液的反应,其放热量并不相同,石墨就比无定型碳(主要指软碳和硬碳)放热量大。


  正极材料热稳定性的影响因素


  当前应用广泛的锂电池正极材料,都是锂的化合物。磷酸铁锂,锰酸锂和三元锂,如果泛泛的说,三者的安全性是从高到低排列的。而有人专门对正极材料在这些电池安全性中的影响做了研究。


  研究认为,锂的化合物分子式中,锂的含量越高,其热稳定性就越差,开始与电解液反应的温度就越低。有个定量的比较,分子式中各个原子的比例系数,当锂的系数是0.25时,其反应温度为230℃;如果这个数值变成1,其起始反应温度就变成了170℃。此外,如果正极材料中含有除了锂以外的其他金属元素,则含锰元素的正极材料比含镍元素的正极材料热稳定性好。


  电解液热稳定性影响因素


  电解液可以说是热稳定性问题的核心,它的稳定性直接影响整个体系的稳定性。有人针对电解液的热稳定性做了一些列研究,结果表明:


  电解液中的碳酸二甲酯含量越高,其热稳定性越差,越容易与正负极材料发生反应;电解液与越多类型材料相容性差,也就是在较低的温度下可以与多种不同的盐类发生反应,说明它越活泼,其热稳定性就越差。


  老化带来的热失控


  老化是一个综合的过程,负极SEI膜结构老化,出现破损,引发自生热过程;负极锂枝晶堆积,造成内短路或者遇到高温环境与电解液激烈反应。老化带来的内阻上升,使得热积累出现的概率上升。总的来说,老化与热失控风险存在正相关性。


  锂电池着火扑灭的正确方法:


  1、电池起火后,应及时切断供电电源,从容有序的疏散人员。


  2、将临近电池箱两侧的车窗打开,避免烟雾对车内人员造成伤害。


  3、快速用水去灭火,按照规范的灭火方式进行灭火。(东莞凤岗2014年明阳电池厂发生火灾,员工用干粉灭火器是无效,中国科学院高能物理研究所毕业的物理学博士李树军认为:由于电池内部自燃爆炸,此时用干粉灭火器就无法奏效,而最好的方法是用水去降温。)


  4、火被扑灭后,需等电池模块冷却后再进行处理搬出电池仓。


  锂电池灭火主要是由于热失控原因造成的,如果需要灭火,首先需要搞明白热失控的真实原因。引起锂电池热失控的因素主要有外部短路、外部高温和内部短路。◎内部短路:由于电池的滥用,如过充过放导致的支晶、电池生产过程中的杂志灰尘等,将恶化生成刺穿隔膜,产生微短路,电能量的释放导致温升,温升带来的材料化学反应又扩大了短路路径,形成了更大的短路电流,这种互相累积的互相增强的破坏,导致热失控。下面以钴酸锂电芯为例,简述一个典型热失控过程。A:准备阶段,电池处于满电状态;B:内短路发生,大电流通过短路点而产生热量,并通过LiC6热扩散,达到SEI膜分解温度,SEI膜开始分解,放出少量CO2和C2H4,壳体轻微鼓胀,随着短路位置的不断放电,电池温度的不断上升,电液中链状溶剂开始分散,LiC6与电液也开始反应放热,伴随着C2H5F\C3H6\C3H8产生,但反应较慢,放热量较小;C:随着放电的进行,短路位置温度继续升高,隔膜局部收缩融化,短路位置扩大,温度进一步升高,当内部温度达到Li0.5Co02的分解温度时,正极瞬间分解,并释放O2,后者于电液瞬间反应放出大量热量,同时放出大量CO2气体,造成电池内压增大,如果压力足够大,冲破电池壳体,引起电池爆炸;D:如果壳体炸开,极片散落,温度不会继续升高,反应终止;但如果壳体只开裂,极片没有散落,这时LiC6继续与电液反应,温度会继续升高,但升温速率下降,由于反应速率较慢,所以可以维持较长时间;E:当电池内部反应的产热速率小于散热速率时,电池开始降温,直至内部反应完毕;◎外部短路:实际车辆运行中发生危险的概率很低,一是整车系统装配有熔断丝和电池管理系统BMS,二是电池能承受短时间的大电流冲击。极限情况下,短路点越过整车熔断器,同时BMS失效,较长时间的外部短路一般会导致电路中的连接薄弱点烧毁,很少导致电池发生热失控事件。现在,比较多的PACK企业采用了回路中加熔断丝的做法,更能有效的避免外短路引发的危害。◎外部高温:由于锂电池结构的特性,高温下SEI膜、电解液、EC等会发生分解反应,电解液的分解物还会与正极、负极发生反应,电芯隔膜将融化分解,多种反应导致大量热量产生。隔膜融化导致内部短路,电能量的释放又增大了热量的生产。这种累计的互相增强的破坏作用,其后果是导致电芯防爆膜破裂,电解液喷出,发生燃烧起火。基于以上原因,对锂电池进行灭火处理,让我们看下特斯拉和通用的推荐:1.如果遭遇小火灾,火焰没有蔓延到高压电池部分,可以采用二氧化碳或ABC干粉灭火器灭火。2.在彻底检查火情的时候,不要与任何高压部件接触,始终使用绝缘工具进行检查。3.储存气体的充气瓶、气体支柱和其他组件可以达到沸腾液体膨胀蒸汽爆炸的极端温度。在检查到事故的“热区”前,要进行有适当精细防护的拆解。4.如果高电压电池在火灾中弯曲、扭曲、损坏,总之就是变得不成样子,或者怀疑电池出现问题。那么灭火时的用水量不能太少,消防用水要有足够的量。5.电池着火可能需要24小时才能完全扑灭。使用热成像摄像头,可以确保高电压电池在事故结束前完全冷却。如果没有热成像摄像头,就必须监控电池是否会复燃。冒烟表示电池仍然很热,监控一直要保持到电池不再冒烟的至少一小时之后。通用沃蓝达的应急救援手册中对电动汽车的消防灭火是那样指导的:如果电池达到足够高的温度,泄漏和释放电解质,电解液肯定是易燃品。这就需要用大量的水来冷却电池和灭火,因为直流和交流系统没有接地,消防员可以安全的用水作为主要灭火剂,而且没有触电的危险。ABC干粉灭火器不会熄灭电池火焰。消防员应避免在灭火或解脱操作任何高压组件中的内部直接接触,这会潜在导致电击。


  真正能灭电池火的灭火剂目前是不存在的,一种有效的尝试是用水冷却,窒息控制,但电池内部有压力和电解液(化学品),所以燃烧比较复杂,并不能直接灭火。另外,针对电动汽车,深圳据说使用小型的气溶胶自动灭火装置,鱼罐头大小,磁铁吸附在车体内电池边上,使用少量爆破气溶胶弥漫灭火,小空间很好用。


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