鋰離子電池產業鏈事故視角下的風險管控與作戰編成研究

摘 要：隨著鋰離子電池產業鏈的快速發展，隨之而來的是火災事故概率也在逐年增加，其安全性的提升迫在眉睫。如何找準鋰離子電池的火災風險點，從產業鏈源頭、產品、應用場景三位一體進行梳理，豐富滅火救援知識儲備，制定相對應的技戰術措施顯得十分必要。因此，本文從鋰電池生產、儲存、運輸、應用、回收等方面分析鋰離子電池產業鏈風險評估和安全管控，為一線消防救援人員處置此類火災提供一定的經驗。

關鍵詞：鋰離子電池 產業鏈 安全管控

隨著“碳達峰、碳中和”成為全球共識，新能源產業已進入到多層次、多類型、多元化發展階段，電動汽車保有量、電力儲能領域裝機容量的提升、電池回收和道路運輸量的快速發展引發了鋰離子電池消費和需求的增長，對其生產、倉儲、回收、道路運輸環節以及應用端的安全管控變得更加關鍵，對滅火救援工作也提出了更高的要求。

近年來，鋰離子電池生產、運輸、存儲、應用、回收的產業鏈事故呈現向上趨勢。例如 2016江蘇啟東“5·31”海四達電源有限公司鋰電池倉庫火災事故、2016廣東深圳“7·10”美拜電子有限公司老化車間火災事故、2017年山西朔州“3·7”京玉發電有限公司鋰電池集裝箱火災事故、2020年河南鄭州“5·29”新能源電動汽車起火事故、2021年北京豐臺“4·16”儲能電站爆炸事故、2021年安徽六安“8·15”單體錳酸鋰電池運輸事故、2022年湖北武漢“1·12”磷酸鐵鋰電池預制倉運輸火災事故。通過對鋰電池產業鏈火災風險進行剖析，構建鋰離子電池產業鏈的風險識別和安全管控體系，以便于提升救援人員現場風險研判和安全管控成效，最大限度減少人員傷亡。

1 制造產業鏈事故風險管控

1.1 正極材料

1.1.1 風險研判

正極材料生產工序涉及二氧化硫、氫氣、液氨、強酸的物質，整套工序觸電、中毒、爆炸、燃燒等多種風險疊加，若救援人員安全防護不齊全，可能對人員造成化學灼傷、腐蝕、中毒事故。特別是尾氣吸收裝置區域發生氮氧化物泄漏、爐內氮氣泄漏等，在局部區域未及時排出或人員進入爐內區域作戰可能對人員造成中毒窒息事故。

1.1.2 安全管控

初戰力量到場后，應全程落實呼吸和軀干雙防護標準，根據泄漏或火災情況，著一、二級防護服（滅火防護服），液氨發生泄漏時要佩戴氧氣呼吸器，保證進入重危區及輕危區人員安全及連續作戰時間。距離事故區域集結停車距離不應低于300米（少量泄漏不少于300米，大量泄漏不少于500米），處置安全距離不少于150米。

1.2 負極材料

1.2.1 風險研判

以石墨為理想的負極材料在生產中涉及高溫噴爐風險、氮氣泄漏、粉塵爆燃事故，從而引起人員中毒、窒息。對于負極材料廠房火災，指揮員應特別注意變壓器油造成的流淌火。

1.2.2 安全管控

負極材料生產中主要涉及高溫、觸電傷害，尤其是爐體易出現高溫噴爐風險。救援人員需全程落實呼吸系統和身體安全防護，根據輻射熱的高低和不同災情，確定防護級別。

1.3 電解質

1.3.1 風險研判

電解液中溶劑多為易燃有毒物質，要合理選擇滅火藥劑，防止爆炸、中毒風險。對于存放成品的電解液，一旦發生事故，可先通過安全閥、泄壓口進行降壓處理，然后通入氮氣窒息滅火。

1.3.2 安全管控

嚴格落實軀干、呼吸的雙重保護，要配備一定數量的防毒面罩、使用氧氣呼吸器保障長時間作戰。嚴格落實洗消作業，必須第一時間調集去氟靈應急沖洗液等專業洗消劑。同時也應注意關閉雨排防止全廠氟化氫擴散蔓延，不應在氟化鋰、五氟化磷等生產裝置區打水，以防無水氟化氫向氫氟酸轉變，導致災情擴大。

2 鋰電池應用領域事故風險管控

隨著電動汽車和儲能市場快速增長，儲能電站、新能源汽車的災害事故也頻繁發生，鋰離子電池發生熱失控，倘若能量不能及時進行釋放，將會存在起火乃至爆炸的風險。

2.1 新能源汽車事故風險管控

2.1.1 風險研判

新能源汽車事故最危險的是觸電風險，在處置過程中，即便斷開高壓電池的能量輸出，倘若電容器能量沒有及時釋放，在短時間內區域電壓仍會保持在某數值。因此，高壓系統每次斷電后要等待5-10分鐘實施作業。此外，電池熱失控過程中會產生大量的有毒可燃煙氣（如CO2、CO、SO2、THC等），在隧道、地下停車庫等密閉空間內還有爆炸的風險[1]。消防救援人員應具有風險評估意識和安全管控的能力。

2.1.2 安全管控

鋰離子電池的荷電狀態越高，其反應越猛烈，PENG P等[2]電池在高荷電狀態下能產生更多次數的射流火焰，同時釋放出更多的燃燒熱。PENG Y等[3]研究68A·h磷酸鐵鋰電池在加熱條件下的氣體毒性和熱失控危害，提出電池的熱失控危害和氣體毒性隨荷電狀態的增加而增加。單明新等[4]采用不同倍率過充電方式，刺激10A·h三元鋰離子電池，結果表明：在距離電池爆炸15cm處測得最大壓強為0.03MPa，由此可見電池爆炸對現場作戰人員安全的影響。趙春朋等[5]研究表明：在滿電荷電狀態下，18650型三元鋰離子電池（2A·h）發生爆炸的能量為5.45gTNT，假設在密閉空間內所有滿電荷電池都發生爆炸的極端事故進行理論計算，其安全距離見表1。

2.2 儲能電站事故風險管控

2.2.1 風險研判

電化學儲能電站最大的安全風險是電池堆（電池簇），火災事故主要是由高溫、過充及外短路引起，電池艙或室內的鋰離子電池可能表現的外在燃燒形式主要有：電池冒白煙、黑煙、爆炸、燃燒等特性，救援人員在開艙滅火時，應按照建筑火災防控要領實施進攻。

2.2.2 安全管控

儲能電站倉門打開后，CO的體積分數從環境值2.4×10-6上升至190×10-6甚至更高[6]。消防救援人員在陣地設置時要注意避開泄壓口、泄壓面，處置過程中應與事故區域保持50米以外的安全距離，在不明箱體內的具體狀態的情況下，盡量不靠近、暫緩處置，防止電池組突然爆燃或爆炸的沖擊、高溫傷害。

3 鋰電池回收事故風險管控

3.1 風險研判

磷酸鐵鋰電池（18650）燃燒后的殘留物中存在部分苯的衍生物、稠環芳香烴、酞酸酯、吡咯烷酮以及各種萘烷等有害物質[7]。在電熱觸發鋰電池熱失控實驗中，利用氣質聯用儀監測到丙烯醛、丙腈、丙二腈、萘、丁烯酮、硫氰酸乙酯、糠醛、二甲基肼等高毒產物，并且丙烯醛是國際癌癥研究機構公布的致癌物質[8]。滅火救援人員長時間接觸空氣中的這些物質會造成不可逆的身體損傷。

3.2 安全管控

一是利用無人機進行高空偵察，實時傳輸燃燒爆炸區的數據，時刻監控火災災情，確定安全距離；二是利用水質分析儀、PH試紙檢測流淌、泄漏液體的組分和酸堿度含量，嚴防人員呼吸中毒和軀干腐蝕事件發生。

4 鋰電池道路運輸事故風險管控

4.1 風險研判

由于電池發生熱失控時，不同SOC磷酸鐵鋰電池熱失控過程釋放能量和耗水量也不同，見表2[9]。指揮員應將物質燃燒產物釋放能量納入整個作戰行動環節，準確預判安全距離，及時調整作戰位置。

4.2 安全管控

對于發生在高架橋、高速公路、隧道等情形下的運輸車輛事故，應第一時間封閉雙向道路，確定安全距離，尤其要注意單橋墩及重型車輛的停放位置，以防高架橋坍塌。

5 作戰編成

5.1 車輛編成

由于鋰離子電池生產企業、鋰離子電池汽車的火災特點與燃油汽車不同，電池使用的化學顏料種類多、工藝復雜、動力成品電池熱失控后實際滅火困難等原因，火災發生過程可能會引發中毒、觸電、復燃等次生災害。針對不同的生產工藝、電池狀態、有無人員被困等災情，所使用的技戰術措施也不盡相同，從救人和滅火的角度來看，應把握防護到位、快速救人、安全滅火的戰術原則。作戰編成力量見表3。

5.2 保障編成

針對滅火作戰時間長、用水量大、現場有毒氣體多、專業處置要求高的特點，需要提供裝備保障車、移動充氣車、重型水罐車、遠程供水系統等車輛及專業技術人員進行供水、供氣和技術支持的保障。

5.3 專勤編成

針對災害現場動力電池存在熱失控的風險，其產物含有劇毒物質，力量調集時應調集偵檢車、防化洗消車、化學搶險車等專勤車輛，主要對事故現場進行詳細、專業的偵察，在處置過程中加強人員的防護，處置完畢后進行車輛、人員、裝備的洗消，確保任務安全順利完成。

生產企業：水罐車＋普通泡沫車＋遠程供水系統＋舉高車＋搶險車＋化學洗消車＋供氣車＋墻壁破拆車。

回收企業：水罐車＋普通泡沫車＋高倍數泡沫車＋遠程供水系統＋舉高車＋化學洗消車＋供氣車＋墻壁破拆車。

鋰離子電池電動汽車：水罐車＋壓縮空氣泡沫車/普通泡沫車＋搶險車。

6 結語

鋰離子電池產業鏈事故救援對救援行動方案和隊員的專業技能要求較高，國家綜合性消防救援隊伍要加強隊伍數量、救援預案、救援協同等方面的建設，摸清安全風險隱患底數，及時組建電氣火災處置專業隊，編制相應的操法，配備相應的器材裝備，強化相應的技戰術訓練，提升產業鏈事故救援的專業能力。同時，在處置該類災害事故中，應全流程、全方位、全階段地穿戴全套個人防護裝備，以防發生救援人員傷亡事故。

參考文獻：

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[2]PING P， WANG Q S， HUANG P F， etal. Study on the fire behavior of large high-energy Li-ion battery with full-scale burning test[J].Journal of Power Sources， 2015：285： 80-93.

[3]PENG Y， YANG L， JU X， etal. A comprehensive investigation on the thermal and toxic hazards of large format lithium-ion batteries with LiFePO4 cathode[J].Journal of Hazardous Materials， 2020：381. doi： 10.1016/j.jhazmat.2019.120916.

[4]單明新，王松岑，朱艷麗，等.鋰離子電池過充爆炸強度試驗研究[J].安全與環境學報，2015，15（5）：116-118.

[5]趙春朋，王青松，余顏.密閉空間中鋰離子電池的熱爆炸危險性[J].儲能科學與技術，2018，7（3）：424-430.

[6]胡振愷，李勇琦，彭鵬.電池儲能系統火災預警與滅火系統設計[J].消防科學與技術，2020，39（10）：1434-1438.

[7]孫均利，陳捷，顧琮鈺.不同荷電狀態下鋰離子電池外熱實驗與分析[J].消防科學與技術，2017，36（12）：1728-1730.

[8] SUN J， LI J， ZHOU T， etal. Toxicity， a serious concern of thermal runaway from commercial Li-ion battery[J]. Nano Energy， 2016， 27：313-319.

[9]張明杰，張堅，楊凱，等.磷酸鐵鋰電池熱失控過程中釋放能量分析[J].電源技術，2020，44（11）：1583-1621.