锂离子电动汽车火灾危险性与应急救援研究

宋志龙 孙均利

(中国人民警察大学 河北廊坊 065000)

0 引言

近年来，随着环境污染和能源危机等问题的日益突出，新能源电动汽车的发展得到广泛关注。与铅酸电池、钠硫电池等为能源供给的传统电动汽车相比，锂离子电动汽车具有能量密度高、使用寿命长、对环境污染小等优点，获得市场的高度青睐。根据有关数据显示，2011年我国新能源汽车年产量仅0.8万辆，占全国汽车比重不到1‰；2018年我国新能源汽车年产量已突破100万辆，预计2020年达到200万辆[1]。

作为锂离子电动汽车的重要组成部分，锂离子电池组具有电极材料活性较高、电化学反应过程易于放热等特性，相对于传统汽车构造而言，锂离子电动汽车的火灾危险性更大，起火后火灾的蔓延更加迅速。由于市场和政策因素的影响，锂离子电动汽车所配备的电池组的能量密度和电池数量呈现不断增加的趋势，由此导致的锂离子电动汽车安全事故接连发生。而锂离子电动汽车的车体构造、电气系统布局方式、电池组排布方式均异于传统汽车，其火灾的燃烧特性和蔓延规律也与传统汽车有较大区别。应急救援人员在处置该类事故时通常缺乏相关救援经验和专业知识，容易造成不必要的人员伤亡和财产损失。本文从锂离子电动汽车的火灾原理出发，结合国内外研究动态，对锂离子电动汽车的火灾危险性和燃烧特性进行研究分析，为救援人员和研究人员提供参考。

1 锂离子电动汽车危险性研究现状

目前国内对于锂离子电动汽车危险性的研究，集中在汽车的电池组和电气系统部分，这也是锂离子电动汽车与传统汽车相比，区别较大的地方。有学者对锂离子电动汽车起火的火灾科学理论、电化学反应理论和突变理论等进行了研究，从电池组的反应机理方面进行了讨论。李毅等[2]对传统消防灭火剂在锂离子电池火灾中的效用进行了实验研究；张怡等[3]研究了锂离子电池火灾发生后的蔓延特征和痕迹鉴定技术；中科大火灾科学国家重点实验室从火灾动力学角度，对锂离子电池的热失控机制和汽车用锂离子电池火灾危险性进行了研究。总体来看，目前国内相关人员多是对锂离子电动汽车火灾进行了单方面的研究，但整体上还没有形成完整和成熟的体系，也没有给出在应急救援和火灾调查方面的具体方案。随着市场规模的不断扩大和锂电池电动汽车火灾事故的发生，国内对该类汽车火灾危险性研究的项目需求也在不断增大。

在国际上，以美国消防协会(NFPA)对锂离子电动汽车为代表的新能源电动汽车的危险性研究最为领先，相比于国内，NFPA对此方面相关的研究开展的也较早。2011年NFPA通过美国能源部的拨款和与有关汽车厂商的合作，启动了锂离子电池储存危险性和灭火方法研究，通过一系列模拟实验的数据采集和分析，制订了锂离子电动汽车的救援规范，对实际灭火救援工作进行指导，并有综合性的安全培训计划，培训应急救援人员能够对电动汽车进行相应的安全处理。

2 锂离子电动汽车火灾危险性分析

2.1 火灾事故统计与危险性分析

根据统计资料和新闻报道，大部分锂离子电动汽车火灾发生在环境温度较高的夏季，占比达78%，其中私家车、物流车和大巴车都有火灾事故的相关报道。而在混合型电动汽车、混合动力汽车和纯电动汽车3种类型的汽车火灾中，纯电动汽车占82%，占比远高于其他类型电动汽车。

在诸多案例中，不乏比亚迪、特斯拉等实力雄厚、技术较为先进的行业龙头企业。从统计数据表现出的锂离子电动汽车火灾的普遍性来看，目前行业的技术规范和应用方面还存在问题。从锂离子电池本身的固有属性和实际应用情况来看，主要有以下的3个方面。

(1)电池容量增大的同时更不稳定

目前车用锂离子电池大量采用的三元锂电池，与传统的磷酸铁锂电池相比，其能量密度更高，但热稳定性更差。

(2)锂离子电池的结构特性更脆弱

目前电动汽车装配的锂离子电池，均采用负极极片/电解质薄膜(现多为固体电解质层)/正极极片的方式进行卷绕或叠片，而固体电解质薄膜在外来冲击(穿刺、碰撞、进水、热冲击等)情况下，或是内部化学反应出现Li+析出形成锂枝晶导致穿刺等情况下，较传统电池的液态电解质，都更容易出现薄膜故障导致短路。而每个电池单元由硬质铁皮密封包裹，内部发生热失控时，热量无法释放，内部压力会迅速升高，容易导致爆炸[4]。

(3)电解质的热分解

锂离子电池中常用的电解质体系为LiCoO4/PC，LiPF6/EC+DEC等。电解质的热分解反应主要是体系温度升高时，电解液溶剂与锂盐发生反应，放出大量的热。研究人员对常见电解质体系的热行为的实验结果以及一些热动力参数进行了实验统计[5]，可知锂盐本身的热稳定性不能等同于电池中使用的电解液的热稳定性。混合溶剂EC+DEC的热稳定性在加入锂盐后出现了显著的下降，说明电解液的热稳定性比未加锂盐的混合溶剂要大得多；同时电解液的热分解不仅自身放热，还会影响到电极材料的稳定性，促进电极物质和电解液之间的化学反应[6]。

2.2 锂离子电池在各冲击条件下的实验表现

(1)外穿刺情况下的火灾危险性

对选购的3种常见型号的车用锂离子电池进行穿刺实验，分别采用电池荷电状态(SOC)为0，50%，100%进行对照实验。其中SOC值为0时电池出现漏液但未发生短路，而SOC值为50%和100%时，穿刺后数秒有白色烟雾从针刺破损部位逸出，十几秒后有少量液体从针刺破损部位喷出，随后持续伴有细碎的气泡从破损处喷出。钢针拔出后气泡持续喷出，喷出量先增多后逐渐减少，几分钟后再无明显现象。虽然针刺条件下电池未出现明火，但荷电值越高电池热效应越显著，在满荷电情况下电池外表面温度达到122.8 ℃，对于以封闭形式堆积的汽车电池组模块已有很高的火灾危险性。

(2)过充、过放电情况下的火灾危险性

在实际使用中，人为因素导致的电池过充、过放电情况时有存在，保护电路失效、电池芯结构不合理、泄压装置失效、电池散热性能差等情况均可导致过充、过放电。在实验室模拟的过充电情况下，电池荷电量越大，过充时火灾危险性越大，过电流达到1.5倍额定电流(4.5 A)时，内部的电解液、隔膜即开始热分解产生气泡，给电池造成不可逆的永久性损坏，并出现爆炸危险。而过放电情况下，随着不同的放电电流，电池表面出现温差但都在50 ℃以内，基本没有火灾危险性。

(3)外热条件下的火灾危险性

在受到外加热的环境影响后，同种型号不同荷电值的锂电池表现出了不同的火灾危险性。实验采用电阻丝电炉作为外热条件，对同型号的软包锂电池进行了热失控实验，图1和图2分别为荷电值50%和100%时热失控情况，实验所用软包电池容量为4 900 mA·h。

图1 50%荷电热失控状态

图2 100%荷电热失控状态

根据实验现象，SOC值为0和50%的电池，在外热条件下电池能够泄压，空电状态下基本不会出现明火，而半电状态下电池从泄压口喷出大量白烟并产生少量明火，但未形成有效燃烧即自动熄灭。而满电状态下锂离子电池出现明火并剧烈燃烧，反应过后锂电池完全烧毁。根据热电偶记录数据，电池表面温度在达到122 ℃左右后，都出现快速升高，直到达到不同荷电状态下电池表面的温度峰值。在实际使用情况下，环境温度的升高对封闭条件下的锂离子电池火灾危险性有较大影响，且满电状态的电池火灾危险性格外显著。锂离子电动汽车电池组在出现单个电池故障后，很容易引起整个电池组的热失控，导致火灾事故的发生。

根据高飞等[7]采用锥形量热仪对锂离子电池的不同组分发生火灾时的燃烧性和生烟性进行的研究，车用锂离子电池会在起火后的短时间内即出现放热峰值，系电池内有机电解质汽化达临界浓度发生剧烈燃烧。没有明确数据显示不同的起火原因会导致锂离子电池火灾发生后的反应情况出现显著差异，而电池包的密封性确会导致火灾发生后缺乏氧气，以碳为极片和以有机物为电解质的车用电池大量生烟。同时，由于锂电池电化学反应的特性，使得电池内的电化学反应在达到一定温度条件下会不断自发放热，进一步加速热失控的发生，因此外热条件下的锂离子电池火灾危险性更为显著，而夏季也确为锂离子电动汽车火灾的高发期。

3 锂离子电池火灾防治技术讨论

锂离子电池在火灾中一旦发生燃烧，在热失控的条件下就会发生分解反应，如常见的钴酸锂电池正极材料LiCoO2充电后会变为Li0.5CoO2，热稳定性极差。分解反应开始后，会不断放出O2，导致反应持续进行而无法停止，直到燃料被耗尽，或电池发生爆炸或破损。由此带来的应急救援问题是锂电池电动汽车火灾无论使用何种灭火剂进行扑救，都会发生复燃，需要在扑灭明火后继续采用水雾对电池组进行降温。

目前在锂电池电动汽车紧急救援方面需要关注两个问题，一是对锂电池电动汽车火灾扑救的灭火剂种类的选择问题，二是应急救援过程中的操作危险性问题。

3.1 灭火剂的选用

目前来看，在对锂电池火灾进行明火扑灭的实验中，A类灭火剂、常见的二氧化碳灭火剂、ABC干粉灭火剂以及水成膜泡沫灭火剂均能够扑灭锂电池火灾明火，但实际消防救援中推荐的仍是采用大量射水进行扑救。电动汽车中的锂电池组起火后，内部环境较为封闭，二氧化碳灭火剂、ABC干粉灭火剂和水成膜泡沫灭火剂均可采用隔绝空气的方式使明火熄灭，但在电池组保有较高温度的情况下，热失控导致的分解反应仍然会持续不断的进行。天津消防研究所的实验人员在进行锂离子电动汽车整车火灾的实验中，使用上述3种灭火剂，均在明火被扑灭后出现了复燃现象，且出现复燃的时间与灭火剂的冷却能力成正比。

NFPA在锂离子电动汽车火灾应急救援人员培训中，对该类火灾使用了大量射水的方式进行扑救，实验证明采用市政管网的水源即可扑灭电动汽车火灾，但需水量和供水时间大大超过了扑救传统汽车火灾；且明火扑灭后，必须继续使用水雾对车体进行降温，防止复燃[8]。在实际事故救援中，应注意确定现场火焰是否完全扑灭，防止次生人员伤亡事故的发生。

3.2 应急救援中的操作注意事项

(1)救援中射水引发导电危险性

锂离子电动汽车电气系统有别于传统汽车，其车体携带有高压电气系统。NFPA在进行锂离子电动汽车整车火灾实验的测定中，定时对灭火水枪枪口进行电气测量，在未对应急救援人员做出额外指导的情况下，水枪枪口处的电流和电压没有出现超过额定安全值的情况。说明采用大量射水的方式对锂离子电动汽车火灾进行扑救的方案是可行的，危险性较低。

(2)救援中对车体进行破拆的危险性

对锂离子电动汽车进行破拆救援时，在未明确车体构造和电池组分布的情况下，破拆是极其危险的。目前市场上的电动汽车电池组多分布在底盘或后备箱中，在电动汽车的破拆实验中，对电池组的破拆和切割实验均发生了剧烈反应甚至爆炸。在实际的应急救援过程中，也出现了许多救援人员在未知车体构造的情况下，误切割电池组导致人员伤亡的情况。应急救援人员在电动汽车火灾破拆救援中，必须事先对汽车构造和电池组分布情况进行充分的了解，应优先对车体上部进行破拆，尽量避免对车体底部和后部进行破拆。

4 结语

随着我国锂离子电动汽车市场规模的不断扩大，该类汽车的火灾案例也呈逐年上升的趋势。锂离子电池能量密度高，起火速度快，反应机理和火灾发展情况有别于传统汽车火灾。外部或内部原因导致的锂离子电池火灾本质上都是电池正负极短路引起，其中电解质膜的反应会导致出现放热峰值，对该类火灾危险性的讨论要特别注意可能使电解质膜产生破损的环节。处置该类事故时可采用大量射水灭火，也可采用其余传统类型灭火剂，但扑灭明火后都要持续降温至安全温度，否则均会发生复燃。在未知车体构造的情况下对车体进行破拆可能会导致电池组爆炸事故。对国内外的相关研究总结发现，相较于国外先进发达国家相关研究工作，目前国内对锂离子电动汽车应急处置救援大多还在进行细分研究，缺少相应的应急救援规范和操作手册，建议消防和安全部门尽快开展应急救援规范和操作手册的系统性研讨和制订工作。