细水雾抑制锂离子电池热失控研究进展

卫晨晨 袁树杰

（安徽理工大学安全科学与工程学院）

0 引言

锂离子电池由于拥有高效的能源储备和循环性能，近些年来得到了大力发展，在便携式设备如手机、平板、智能手表上大规模使用，且随着新能源汽车的大力发展，锂离子电池发挥了巨大的作用。此外，锂离子电池相较于其他电池体系还拥有高能量比、低记忆性、高输出电压以及较好的安全性等优势，占据了电池行业大部分的市场。然而，锂离子电池在受到挤压、针刺、过充及过热的情况下易发生热失控，易造成电池安全阀破裂，同时释放出易燃易爆且有毒有害气体，如一氧化碳、氟化氢、甲烷和氢气等，从而发生火灾甚至爆炸，对人的生命财产安全造成严重威胁。目前缺乏合适的针对锂离子电池火灾的灭火系统，发生火灾通常使用水进行冷却灭火，该方法效率低下且浪费水资源，在火势扑灭之后又易发生锂离子电池复燃，因此寻找一种合适的灭火剂对锂离子电池灭火十分重要。本文总结了细水雾技术在抑制锂电池热失控方面的应用研究，并指出现存研究的不足之处。

1 锂电池热失控及其燃烧特性

有许多种情况可以导致锂电池进入热失控。机械滥用造成锂电池内芯部分断裂而发生短路，电滥用以及热滥用使锂离子电池温度升高，若内部产生的热量大于散失的热量，造成热量积累，最终温度达到热失控临界温度，锂电池发生热失控并释放大量热和易燃易爆气体导致火灾发生。国内外学者通常采用测量锂电池的表面温度和电池电压来预测锂电池热失控发生及其发展阶段。通过表面温度可测量得到锂电池的初始失控温度、最高失控温度、升温速率等参数，电压在锂电池热失控的不同阶段呈现出不同的值；此外还可通过测量锂电池质量损失、燃烧时火焰状态、燃烧室内压力等参数判断热失控严重程度。Wang[1]等使用NBT电池测试系统测量了四种不同正极锂离子电池热失控初始温度和最高温度，发现其随着荷电状态（SOC）的变化而变化，正极材料为镍钴锰酸锂的锂电池最高温度可达695℃，足以点燃周围可燃物。在以多节锂电池为单位包装的电池组中，若其中某节锂电池发生热失控可以导致周围锂电池进入热失控，称为热失控传播。电池组进行热传播时，热量主要通过热传导、热辐射的方式进行；Fang等[2]分析了不同电池间距对不同SOC热失控传播的影响，揭示了传播路径和所需最小能量。除了改变锂电池外部环境进而抑制锂电池热失控的方法，还为锂电池开发了热管理方法，如空气冷却、液体冷却、相变材料（PCM）冷却等方法进行锂电池模块降温以及提高温度均匀性，然而这些方法均有其弊端。因此锂电池在发生短路温度上升时，这些方法难以有效地将温度降至热失控临界温度以下，从而发生因锂电池热失控造成的火灾，且锂电池火灾具有灭火难度大、热值高的特点，目前缺少有效针对锂电池火灾的灭火剂。

2 细水雾抑制锂电池火灾

2.1 纯水细水雾抑制锂电池火灾

水基灭火剂可分为纯水、细水雾、泡沫等。其中细水雾是指在工作压力范围内99%的液滴直径小于1000微米的水雾，与常规的喷水和注水相比，细水雾具有节能、无毒、效率高等优点，其通过冷却润湿电池表面、降低热辐射对火焰的动能影响，结合稀释氧气的方式扑灭火灾，其中冷却和稀释氧气起主导作用。根据Zhang等[3]的实验，足量的细水雾，可有效降低锂电池温度防止热失控传播，水压增加可提高细水雾瞬时冷却能力，但若细水雾使用量有限热失控仍会发生传播；Liu等[4]研究表明细水雾具有良好的冷却性能，可以防止和抑制热失控传播，但必须满足电池内部加热功率低于细水雾冷却功率以及电池表面温度必须得到良好的控制这两个条件。通过进一步研究发现，在低于热失控临界温度20℃时释放细水雾灭火剂，可以较好地控制热失控，但随着SOC的增加抑制难度增大；Xu等[5]对比研究了CO2、HFC-227ea和细水雾对锂电池火灾的灭火效果以及不同初始温度下细水雾对锂电池热失控的影响，结果表明细水雾在这三种灭火剂中效果最佳。

2.2 含添加剂细水雾抑制锂电池火灾

为了进一步提高细水雾的灭火性能，在水中添加各类不同种类和浓度的添加剂成为首选。添加剂通过物理和化学性能两方面改变细水雾灭火性能，其中物理性能方面包括增加细水雾吸热能力、提高沸点以及改变表面张力以增加渗透能力，然而添加剂对细水雾的显著提升主要依赖于改变其化学性能；添加剂受热分解过程中吸收热量、释放自由基阻断链式反应、降低有毒气体浓度以及覆盖可燃物表面隔绝氧气。含添加剂细水雾在抑制锂电池火灾方面近年来也颇为关注。Zhu等[6]进行了含表面活性剂细水雾对抑制锂电池热失控的影响研究，结果表明加入表面活性剂能迅速降低火焰温度，缩短灭火时间，灭火能力明显增强，同时单烷基醚磷酸钾和脂肪酸酯聚氧乙烯醚可吸附CO、CH4等可燃气体，提高灭火性能；周征等[7]研究了不同表面活性剂对细水雾抑制锂电池火灾的影响，并通过对比分析复配了阴离子-非离子表面活性剂溶液；张青松等[8-9]实验发现含有表面活性剂和化学添加剂的复合添加剂可以降低表面张力，并与自由基结合，提高水雾对锂电池热失控的抑制能力，并且研究了物理添加剂和化学添加剂抑制锂电池热失控的最佳浓度，发现0.16%FC-4和0.32%尿素效果最佳。

3 结束语

本文综述了锂电池发生热失控的主要原因，影响热失控严重程度的因素，细水雾在锂电池火灾方面的应用。

通常，锂电池的热失控主要是由热滥用、过度充放电、机械损伤引起。这些因素会造成电池内部短路，从而使内部发生不良化学反应释放大量热，进而诱发热失控，在此过程中，锂电池会产生大量有毒有害气体以及喷射式火焰，危害人们的生产生活安全。

由于锂电池热失控特性，一旦发生火灾将难以控制，在这种状况下，灭火剂需要拥有较高的冷却能力和迅速扑灭明火的能力。相比于气体灭火剂和干粉灭火剂，细水雾在灭火性能和环境友好性方面达到了理想的平衡，然而国内外众多学者大多集中在单电池或少量并排放置的电池热失控火灾上，对细水雾抑制不同连接方式的锂电池火灾研究较少，存在一定的模型偏差，对锂电池火灾的抑制机理没有准确的定论。为了提高细水雾灭火性能，细水雾添加剂是较好的研究方向，然而较多集中于在气体防灭火方面的研究，应用于锂电池火灾的研究较少。