鋰離子電池火災事故原因分析及解決對策

謝振岳

（靜安區(qū)消防救援支隊，上海 200000）

1 電池結構組成及工作原理

1.1 電池結構組成

在鋰離子電池中，其內部的結構主要包括以下幾個部分：①正極板。正極板是一種由石墨化得到的薄片，其表面具有一層致密的氧化膜，能夠有效地防止鋰離子電池的電解液發(fā)生化學反應，從而保證了電池的安全運行。②負極襯膠層。負極襯膠層的作用是阻止放電時電極和材料之間的界面反應，同時起到保護的效果；而當電池的容量達到一定值時，就會對電池進行循環(huán)充電，這樣就可以延長了二次使用的時間；③外殼。負極的殼體通常情況下都是由碳鋼或者鋁合金等制造的用來支撐的；④隔膜。隔膜的存在使得鋰離子在充電器的工作環(huán)境更加良好和穩(wěn)定，也能讓設備的安全性得到保障。但是由于現在的隔膜技術還不夠成熟，所以還需要進一步地改進才能滿足實際的需求。

1.2 電池工作原理

在電池充放電過程中，通過氧化、還原作用使正負極材料脫嵌并嵌入到正負電極材料中，通過電解液在正負電極材料中自由流通，把正、負兩種活性材料的化學能量轉換成電能。例如，在鈷酸鋰的陽極處，CO3+和 Li+分別處于一個四邊形密集的八面體中。在帶電過程中，Li+在正八面體的位點出現了脫嵌，Li+穿過膜片埋入到負極中，同時釋放一個電子，CO3+還原為 CO4+，負極處于富鋰狀態(tài)；在放電過程中，Li+從負極離嵌，通過 Li+穿過隔板，插入到正八面體中，形成一個電子，CO4+還原為 CO3+，而正極則處于富鋰態(tài)。在鋰離子蓄電池的充電和放電期間，Li+在電池的正、負電極上前后運動。電池的充放電反應式為公式（1）式（3）。

2 影響鋰電池火災的因素

2.1 過充對鋰離子電池的影響

過充是指電池在正常的工作狀態(tài)下不能夠充滿整個儲存的能量而進行的充電過程。鋰離子電池的使用壽命主要受其內部溫度、化學穩(wěn)定性和循環(huán)性能等因素的影響。而當鋰離子電池的容量達到了一定的數值時，就會導致其失活。當鋰離子電池的容量到達了極限時，就會對其造成嚴重的損壞甚至爆炸。在實際生產中，過充可能會使一些有毒的物質進入到電解液中，從而對產品的質量產生不良的影響。或者是因為過度放電引起的短路，使得電解液的導電性變差，最終被燒毀。所以，為了避免這些危險情況的出現就要盡量減少對鋰離子電池過充的現象，以延長它們的生命周期或使它的安全性極大提高。

2.2 短路對鋰離子的影響

2.2.1 鋰枝晶

在鋰電池過度充電、充放電循環(huán)中，鋰離子在負電極上的沉淀不均，易于形成樹枝狀晶體，這時，由于鋰枝晶的大量生成，樹枝狀晶體的斷裂導致“死鋰”，從而使鋰發(fā)生不可逆性的變化。由于鋒利的樹枝晶體穿過薄膜，導致正、負電極之間的短路和自放電，從而導致鋰電池的發(fā)熱和燃燒。由于過多的充放電導致了鋰離子電池的過熱，電極上的針狀物會導致電極產生微小的短路，而隨著電池的升溫，電解液蒸發(fā)，電池組內壓力上升，導致電池中的氧化，從而導致電池起火。

2.2.2 外界撞擊

外部撞擊主要是指鋰離子電池在受到外界因素的影響下，電池自身的溫度、濕度、電解液的濃度等都會對其造成一定程度的破壞作用。①在外界環(huán)境中，鋰離子電池的內部結構是非常復雜的；其中包含了多個鐵氧體，且這些鐵氧體的存在使得其容易被氧化，從而導致其出現腐蝕現象。而當發(fā)生這種情況的時候就需要相關人員及時地進行處理，以免對設備和電路的正常運行帶來不利的影響。②在外界的環(huán)境影響下，鋰離子電池的工作狀態(tài)也會產生改變，比如，當太陽光照射到時，會直接與氧氣接觸，使催化劑的活性降低，催化反應速度下降，甚至可能引發(fā)燃燒或者爆炸的問題。③當外界的空氣中的含水量過多，就極有可能發(fā)生爆炸的危險；而如果含水的比例過大，則易引起火災。所以說，對于外部的沖擊性的防護要加強，防止火災的擴大化。

2.2.3 隔膜缺陷

隔膜是一種在環(huán)境中能與空氣隔絕的裝置和材料，其作用是將外界的污染物質隔離。隔膜的好壞直接影響電池的使用壽命，所以在生產過程中要重視電池的隔膜問題。首先，在設計鋰離子電池時，要考慮到電池的容量、溫度等因素，并根據實際情況來選擇合適的器件。其次，還要保證隔膜的厚度和密度，使其能夠滿足循環(huán)的要求。最后，為了避免漏電，應該將絕緣層的厚度控制在3~5mm以內。另外，還可以通過對電路板的合理改造，使其更加地美觀，提高耐腐蝕性，從而延長了使用期限。

3 電池火災危險性

高溫：因鋰的活動及電解質的可燃性，導致蓄電池著火時會釋放出較多的熱，特別是當蓄電池充滿時，會引起大火。

中毒：電解液主要成分是六氟磷酸鋰，一旦接觸到大氣或受熱，便會被水蒸氣所分解，釋放出五氟化磷。五氟化磷是一種對皮膚和黏膜有強烈刺激作用的無色、難聞的有害氣體，在濕度較大的環(huán)境中，會發(fā)生強烈的分解反應，產生有毒、腐蝕性的氟化物。

爆炸：通常是由于內部和外部原因導致的電池材料爆炸，導致了大量的排氣口破裂或者破損，在短期內形成高溫和壓力，導致電池外殼膨脹、破裂甚至爆炸；斷裂的殼體還會引起氧的涌入，使聚于陰極處的鋰分子發(fā)生強烈的化學反應而發(fā)生爆炸。

4 事故處置

4.1 現場詢情

現場的信息收集是整個研究過程中的重要環(huán)節(jié)，首先，要了解相關的法律法規(guī)，并在與工作人員溝通的基礎上，確定了本次調研的目的及方向。其次，要掌握現場的情況以及可能出現的突發(fā)事件，如火災事故發(fā)生后，消防車的運行狀態(tài)，是否有漏電現象，如果發(fā)現了火災，就要立即通知維修部門，及時進行處理。同時也要注意周圍的天氣狀況，盡量避免在惡劣的氣候條件下工作，以免造成不必要的損失和人員傷亡。最后，對于一些特殊的工種，比如說加氣站的員工應戴安全帽，并做好相應的防護措施。

4.2 警戒疏散

火災報警系統是一種能夠及時、準確地對火災情況做出判斷并向用戶提供相應的信息和警報的裝置和設備。它可以通過對現場的溫度、濕度等環(huán)境參數進行檢測，并根據相關的數據來確定是否有必要發(fā)出聲音或燈光提醒。當發(fā)生火災時，其內部的煙霧濃度會迅速升高，當達到一定值時，就會引起人員的恐慌或者窒息。因此，在設計鋰離子電池組的安全預警系統時應該充分考慮到可能出現的危險因素，并且要盡可能地使整個體系的安全性都能得到有效的保障；另外，還必須保證應急的反應時間，避免因為突發(fā)事件而導致的誤報。

4.3 安全防護

安全防護主要包括以下幾方面：①防火墻的設置，在進行安全防護時，應盡量使用耐火極限比較高的墻體材料，以避免在高溫和高輻射的環(huán)境中對設備的損壞。同時，還應注意對員工的疏散通道、出口的位置及方位等采取相應的保護措施。②防雷擊的裝置和接地的設計，當雷擊引發(fā)的火災時，可采用的防雷電的方法有3種：一是利用避雷針或排下線將接地通路與外界直接相連，從而達到降低感應電流的目的；另一種則是通過避雷器將接地線與大地連接起來，使其成為導電回路，起到隔離的作用；第三種則為外部電源的線路可以作為引線，或者安裝在配電室的附近或屋頂上，以提高其穩(wěn)定性。

4.4 火情偵察

火情是指燃燒時，空氣中的氧含量和可燃物濃度之間的關系所形成的一種狀態(tài)。燃燒會生成二氧化碳、二氧化硫等有毒有害物質。火災現場的人員一般是在室外進行，所以要對其采取一定的措施來防止火勢的蔓延與擴散。針對鋰電池企業(yè)或蓄能器發(fā)生火災時，采用特殊的泄漏探測儀、熱成像儀、紅外測溫儀和有毒可燃氣體探測儀。針對電動車發(fā)生的交通意外，使用特殊的泄漏探測器、熱成像儀、紅外測溫儀等檢測出蓄電池的電壓和溫度，并與某品牌的維修工程師取得聯系，獲取有關的救援指導。

4.5 滅火救援

4.5.1 滅火藥劑選擇

鋰離子電池使用的是一種由金屬鋰組成的復合體，其自身并不含有金屬鋰，所以使用大量的水來救火，是一種較為穩(wěn)妥的方法，因為鋰電池的化學反應會不斷地產生大量的熱量，所以使用干粉滅火后，容易復燃。在被燃氣滅火劑、干粉或泡沫包裹的情況下，電池內仍然會產生化學作用，并釋放出大量的熱能，引發(fā)再燃燒，唯一的辦法就是通過不斷地給水降溫，對著火的電池進行滅火。

4.5.2 警惕爆炸發(fā)生

企業(yè)應在日常生產中加強對鋰離子電池的管理和維護，并在產品的設計、制造、使用等環(huán)節(jié)中嚴格把控，確保安全。同時應配備專業(yè)的檢測設備，及時發(fā)現隱患，防止事故的發(fā)生和擴大。在實際的操作過程中，必須遵循以下幾個基本原則：①科學合理地規(guī)劃充電路線，使其充放電處于最佳狀態(tài)，從而最大程度地抑制起火的可能性。②對于不經常更換的充電線，應該選擇合適的線路以延長電池的壽命或者縮短其用時。③為了保障火災的預防性，還需要注意的是，在每次的檢修期間都需安排工作人員輪流值班，以方便工作人員的維修與保養(yǎng)。

4.5.3 電動車事故救援

根據事故現場情況，合理劃定作業(yè)區(qū)和工作區(qū)。作業(yè)區(qū)域應設置在事故車輛周圍5m以內，僅有急救和營救工作的工作人員可進入。工作區(qū)域應設置在參加救護工作的人員的周圍10m以內。在停電處理過程中，應在專家的協助下，佩戴等級不少于1的隔離手套，將維護或切斷電源的電源從電源插座中拔出（拉）出來，并將電動汽車的鑰匙插入到一個信號保護包中或者放在10m之外的地方。當車身出現了一定的畸變時，應該選用能夠偵測到直流電流的漏電流，采用1 000V的萬用表對高、低壓線路進行測量，然后利用絕緣剪刀切斷線路。確定停電后，配合醫(yī)護人員進行緊急搶救，維持病人的生命跡象，并建立搶救的通道。當汽車發(fā)生火災時，應采取噴灑或噴灑水劑來冷卻火災區(qū)域，嚴禁用直流水射水濺向電池箱體。

4.5.4 防范復燃復爆

要合理設計與改進鋰離子電池，以提高其安全性能，在實際的生產過程中，可以根據不同的情況來制定相應的方案和措施。比如說，當電池的容量達到了一定的要求時，就應該及時更換充電電源或替換掉老化電池，以防止發(fā)生復燃復爆的危險。當電池的存儲環(huán)境發(fā)生改變，導致其無法滿足儲存需求時可以采用抽空的方式防止外界干擾；當出現突發(fā)的故障時，應對電池放電時間做出調整，以保證下次正常工作。還應當加強對鋰離子的管理和維修。對于那些已經損壞的設備或部件，要定期地檢查并修理，避免再次被腐蝕。同時還要做好日常的維護保養(yǎng)，以防意外事故的發(fā)生而影響到整個企業(yè)的運行狀況。

5 結束語

通過研究可以發(fā)現，鋰離子電池的發(fā)展前景是非常可觀的。隨著人們對安全意識的增強和對環(huán)境友好型的追求以及國家政策的支持與鼓勵，我國在鋰離子電池的研制方面取得了很大的進步與突破，但相比于一些發(fā)達國家，仍然還有較大的差距；因此，針對目前國內的現狀提出幾點建議，希望能為相關企業(yè)在今后的生產中提供一定的參考價值。首先，要提高鋰離子電池的安全性問題，必須有一套完善的檢測系統來保證其可靠性和使用壽命。其次就是要加強充電控制，采用多種方法進行管理，比如：延長充放的時間、設置自動報警裝置等。最后，還應該加大研發(fā)的資金投入，開發(fā)新的技術來代替?zhèn)鹘y的人工操作，從而降低成本，使其能夠更好地發(fā)揮作用。