電動汽車鋰電池火災特性及滅火技術

文/張磊

安全是保障電動汽車健康快速可持續發展的首要前提，本文在大量試驗研究的基礎上，揭示了電動汽車鋰電池火災的特點和類型，闡明了鋰電池火災的處置原則、滅火策略。

電動汽車是我國重點扶持的戰略性新興產業，對我國能源結構改革，打贏藍天保衛戰具有重要戰略意義。然而，在新能源汽車的推廣應用過程中，發生了一系列火災事故，如“4·26”深圳五洲龍A10純電動大巴充電著火事故等。國家電動汽車重大科技專項特聘專家王秉剛表示，新能源汽車自燃火災次數隨產銷量而增長，粗略統計，平均每100萬輛新能源汽車發生火災次數為50次，推算到2020年，如果新能源汽車保有量達到500萬輛時，火災事故將達到250次，由此可見，新能源汽車的起火事故將會進一步爆發。

經消防部門數據統計，電動汽車動力鋰電池系統熱失控是引發車輛著火的首要原因。鋰電池燃燒具有燃燒速度快、火焰強度大、產生大量有毒有害煙氣等特點，這對火災撲救與應急救援帶來了極大挑戰。

為提高消防部門處置電動汽車火災事故的技戰術水平，應急管理部上海消防研究所自2011年以來，開展了大量鋰電池火災燃燒特性、滅火技術及消防安全標準研究，并編制了中國汽車工程學會團體標準《電動汽車鋰離子電池箱火災防控裝置性能要求和測試方法》，旨在提高電動汽車火災防控安全等級，保障我國電動汽車產業的健康快速可持續發展。

鋰電池火災特性

鋰電池由于自身制造缺陷，或受外界溫度、機械、充電異常等激勵，電池內部會發生不可逆的副反應，如SEI膜分解、正極材料分解和電解液的分解，產生大量熱，并釋放出小分子氣體。由于反應劇烈，產生的熱量不能有效傳遞到電池外部，引起電池內部溫度和壓力的急劇上升，而溫度的上升又會極大地加速副反應的進行，產生更大量的熱和氣體，此時電池進入無法控制的自加速狀態，即俗稱的熱失控。

熱失控是鋰電池內部發生的劇烈不可逆的氧化還原反應，并伴隨著溫度和壓力的急劇升高，宏觀表現為噴射狀火焰特征，反應速度快，火焰強度大。應急管理部上海消防研究所自2011年以來，開展了大量不同結構、不同容量、不同電化學體系鋰電池的燃燒特性研究，闡明了磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的火災類型，宏觀表現為“溫升—鼓脹—破裂—煙氣—主/被動著火”，揭示了鋰電池火災的特征，可歸納為以下幾個方面：

鋰電池燃燒速度快、溫度高

三元鋰電池單體過充著火試驗

磷酸鐵鋰電池單體滅火試驗

鋰電池火災一般是由內部熱失控引發的，SEI膜分解后，電池正極材料、負極材料、電解液發生劇烈的氧化還原反應。以三元鋰電池為例，經過對鋰電池的燃燒殘留物進行解剖和分析，發現鋰電池正極銅箔發生部分融化，由此可斷定，鋰電池燃燒時，內部局部溫度超過了銅的熔點（1 083 ℃），同時，經紅外熱成像儀測試，三元鋰電池的最高燃燒溫度一般可達800～1 000 ℃。此外，高溫導致了化學反應加速，在測試實驗過程中發現，部分鋰電池電芯燃燒從明火出現至火焰完全熄滅，耗時僅6～9 s，燃燒非常迅速。

鋰電池火焰噴射距離遠，伴隨有內溶物飛出

鋰電池單體一般設有泄壓口，鋰電池熱失控內部產生高溫高壓氣體的泄放時刻取決于泄放壓力的大小，對于三元鋰電池等主動著火式鋰電池，鋰電池的著火過程也是壓力泄放的過程，由于泄壓面積較小，形成的火焰噴射距離較長，經試驗測定，最長噴射距離可達3～5 m。此外，鋰電池著火時一般還伴隨著銅箔等內溶物的飛出，形成新的著火點，經試驗測定，最遠飛出距離可達5～6 m，因此，鋰電池火災的蔓延速度極快，這對鋰電池火災的初期處置帶來極大困難。

不同電化學體系的鋰電池燃燒特征差異大

不同的鋰電池電化學體系，熱失控時內部發生的副反應不同，產生的溫度和壓力也不同，導致著火形式不同。對于磷酸鐵鋰電池而言，一般內部產生的溫度較低，小于逸出可燃氣體的點火能，需要有外部引火源才能著火；對于三元鋰電池而言，一般內部溫度較高，大于逸出可燃氣體的點火能，鋰電池破口時，可直接引燃逸出的可燃氣體，形成噴射火。

鋰電池逸出氣體成分復雜，毒性大

鋰電池熱失控會產生大量可燃、有毒氣體，如CO、HF、H2、CH4等，這些可燃、有毒氣體的蔓延速度很快，一旦蔓延到人員密集型場所，易形成群體性中毒事件。同時，在鋰電池火災的撲救過程中，消防員必須穿戴好各類防護裝具，以保障人身安全。

鋰電池的火災分類

GB/T 4968-2008《火災分類》中將火災分為A類固體物質火災、B類液體或可熔化的固體物質火災、C類氣體火災、D類金屬火災、E類帶電火災、F類烹飪器具內的烹飪物（如動植物油脂）火災，火災分類是火災防護與撲救的重要前提。鋰電池火災一般是由電池內部的熱失控引發的，類似于小型的化工反應熱失控，經試驗研究發現，對于三元鋰電池而言，內部產生高溫高壓氣體噴射時，被氣體攜帶的內部炙熱顆粒引燃著火，因此主要表現為C類噴射火；對于磷酸鐵鋰而言，首先是內部可燃氣體在電池破裂后發生蔓延擴散，并與空氣形成可燃性預混氣體，因此主要表現為C類預混火。由此可見，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池主要表現均為C類火。

鋰電池火災撲救技術

鋰電池火災具有燃燒速度快、火焰強度大且呈噴射狀等特點，滅火藥劑很難直接作用于火焰根部，且由于鋰電池外包裝材料的封閉效應，鋰電池火災的滅火難度很大。下面從滅火藥劑、滅火原則、滅火策略等角度出發，闡述鋰電池火災的滅火方法，以提高鋰電池火災的抑制效能。

滅火藥劑

目前，我國使用較多的滅火劑主要有氫氟碳類滅火劑（如七氟丙烷）、干粉滅火劑、熱氣溶膠滅火劑、惰性氣體滅火劑、細水霧滅火劑等，除此之外還有一些新型的，但在我國暫未大規模推廣使用的滅火劑，如Novec1230等。目前，國內還沒有評價滅火劑撲滅鋰電池火災效能的測試標準或方法，在滅火劑選擇時，應綜合考慮環境適應性、誤噴危害、噴射殘留、滅火濃度、藥劑用量等因素，同時還應考慮鋰電池火災的具體場景，如在開放空間時，不適合選用氣體滅火劑。此外，鋰電池火焰強度很大，在設定鋰電池火災的滅火濃度時，宜通過實際測試的方法來確定，但至少應為滅火劑的惰化濃度。

滅火原則

鋰電池火災是由電池內部熱失控引發的，而熱失控是一種不可逆的、自反應性的氧化還原反應，因此，鋰電池火災明火可撲滅，但熱失控反應卻阻止不了，這就導致了鋰電池火災的復燃概率較傳統火災要高出許多。撲救鋰電池火災時，一要及時撲滅明火，避免火災快速蔓延；二要降低熱失控反應速率，使鋰電池內部熱失控反應產生的熱量有序釋放；三要持續降低鋰電池溫度，避免鋰電池火災發生復燃和快速蔓延。

滅火策略

鋰電池的著火形式主要可分為兩種，一種是以三元鋰電池為代表的主動式噴射火形式，另一種是以磷酸鐵鋰電池為代表的被動式預混氣體火形式。鋰電池著火形式雖有不同，但所采用的滅火策略是一致的。經大量試驗研究發現，無論是三元鋰電池還是磷酸鐵鋰電池，在剛著火時的火焰強度一般是最強的，若在密閉環境內，甚至可能發生爆炸，針對這一特點，宜采用“預先抑制—早期噴放”的策略，通過監測鋰電池熱失控初期的行為特征，如氣體、煙霧等，在鋰電池出現明火前噴放滅火劑，形成惰化環境，降低鋰電池出現明火的概率，或降低鋰電池的火焰強度，避免鋰電池發生快速蔓延，出現大規模轟燃。對于在開放空間內的鋰電池著火情況，宜使用大量、持續的降溫型滅火劑，并及時將著火鋰電池和其他電池有效分離，如用水浸沒等，防止火災發生蔓延。

《電動汽車鋰離子電池箱火災防控裝置性能要求和測試方法》標準介紹

提高車載動力電池系統安全等級是電動汽車火災防控的關鍵，GB 7258-2017《機動車運行安全技術條件》和《電動客車安全技術條件》(暫未公布，沒有標準號)中明確要求了動力電池系統應能在發生熱失控時及時報警，且報警后5 min內電池箱外不起火爆炸；交通部發布的多個行業標準如JT/T 1026-2016《純電動城市客車通用技術條件》、JT/T 1025-2016《混合動力城市客車技術條件》以及JT/T 325-2018 《營運客車類型劃分及等級評定》中更是明確要求車載動力電池系統應裝配具有報警功能的自動滅火裝置。為建立科學有效的動力電池系統自動滅火裝置效能評價與測試方法，應急管理部上海消防研究所在前期大量動力電池燃燒特性、熱失控探測、滅火技術等研究的基礎上，編制了中國汽車工程學會團體標準《電動汽車鋰離子電池箱火災防控裝置性能要求和測試方法》，該標準于2018年7月24日由中國汽車工程學會和中國消防協會聯合發布。

該標準在外觀與標志、供電、探測報警、啟動運行、相容性、故障報警、啟動反饋、滅火性能等方面對電動汽車鋰離子電池箱火災防控裝置作了詳細規定，其中在滅火性能方面，主要考慮滅火時間、箱內溫度、箱內壓力、箱外有無明火等指標。為確保火災防控裝置的滅火效能，設定滅火時間應小于30 s，且10 min內不應復燃；為避免火焰傳遞到電池箱外，設定電池箱內相對壓力小于50 kPa，并要求電池箱外應無明火；為防止鋰電池火災發生擴展，設定電池箱內測點溫度小于150 ℃。（本文作者單位系應急管理部上海消防研究所）