电动汽车锂离子电池火灾爆炸成因分析与应对策略

谢克强

摘 要：近年来，随着我国电动汽车项目高速发展，其能量载体动力锂离子电池被广泛运用，然而同时随之而来的是火灾爆炸事故频频发生，造成了一定的生命财产损失。锂离子电池因其具有高能量密度和电解液成分复杂等多种原因而具有非常大的火灾危险性，目前国内外针对锂离子电池的安全研究主要集中于预防火灾方面，而在灭火救援中的应对方法研究相对较少，所以对电动汽车锂离子电池发生火灾爆炸的成因分析和应对策略进行研究具有紧迫的必要性。本文通过分析电动汽车锂离子电池火灾爆炸的主要成因和危险性，提出针对锂离子电池火灾原理、特征和安全风险的灭火救援应对策略，希望能为消防救援队伍在扑救电动汽车火灾中的技战术运用和作战安全提供一些建议。

关键词：消防 锂离子电池 成因分析 应对策略

Abstract：In recent years， with the rapid development of electric vehicle projects in China， the energy carrier power lithium-ion battery has been widely used. However， at the same time， fire and explosion accidents occur frequently， resulting in a certain loss of life and property. Lithium-ion battery has great fire risk due to its high energy density and complex electrolyte composition. At present， the safety research of lithium-ion battery at home and abroad mainly focuses on fire prevention， while the research on response methods in firefighting and rescue is relatively few. Therefore， it is urgent to analyze the causes of fire and explosion of lithium-ion battery of electric vehicle and study the countermeasures. By analyzing the main causes and risks of lithium-ion battery fire and explosion of electric vehicles， this paper puts forward the fire-fighting and rescue strategies for the principle， characteristics and safety risks of lithium-ion battery fire， hoping to provide some suggestions for the technical and tactical operation and operational safety of fire rescue teams in fighting electric vehicle fire.

Key words：firefighting， lithium-ion battery， cause analysis， countermeasures

1 引言

现代社会，锂离子电池的技术进步深刻影响了电子产品的迭代升级，在近20年的时间中，电动汽车项目也因为锂离子电池技术的日渐成熟而得到充分发展。动力锂离子电池已发展成为纯电动汽车主要的能源载体，其中磷酸铁锂电池（LFP）以其放电稳定、热失控发展较慢、成本低廉和环保等特点，成为电动客车的主要储能系统;镍钴铝（NCA）、镍钴锰（NCM）等三元锂电池的优势在于能量及功率密度高、工作电压高、循环寿命长，成为家用电动汽车的主要能源载体。

电动汽车项目在近年来成为我国重点扶持的战略性新兴产业，对我国能源结构改革，打赢蓝天保卫战具有重要战略意义[1]。截止2021年6月，我国纯电动汽车保有量493万辆，占汽车总量的1.69%，新能源汽车总量的81.68%，较去年同期增长高达234.92%。而与电动汽车产业迅猛发展相对应的，是其安全性备受社会广泛关注。2020年5月16日，上海市嘉定区一台蔚来ES8在停放未充电的情况下中出现冒烟情况，8月20日，福建省三明市一台北汽EX360纯电动小型SUV在充电过程中发生爆炸。为加强电动汽车的安全性，工信部于2020年5月12日发布电动汽车安全系列强制性国家标准GB 18384-2020《电动汽车安全要求》并在2021年1月1日起实施，对车辆各项安全指标进行了再次修订和细化。但随着电动汽车的社会保有量日渐增加，其发生火灾爆炸的灾害起数仍然呈正相关式增长，如何破解电动汽车火灾爆炸的救援问题需要得到消防救援队伍足够的重视。文献调研结果表明，作为电动汽车的核心部件，动力锂电池系统热失控是引发电动汽车起火的首要原因[2]。国内外针对锂离子电池的安全研究主要集中在预防方面，而对在灭火救援中的应对方法研究相对较少，因此对电动汽车锂离子电池发生火灾爆炸的成因分析和应对策略进行研究具有紧迫的必要性。

本文将通过对电动汽车锂离子电池发生火灾爆炸的主要成因和危险性进行分析，提出针对锂离子电池火灾原理、特征和安全风险的灭火救援应对策略，希望能够为消防救援队伍在扑救电动汽车火灾中的技战术运用和作战安全提供一些建议。

2 锂离子电池工作原理和基本結构简介

电动车电池简称EVB（Electric-Vehicle Battery），一般用于纯电动车（BEV）或混合动力电动汽车（HEV）上，考虑其功率密度及使用寿命，市面上绝大多数纯电动汽车使用的都是锂离子电池组作为动力源。锂离子电池是一种充电电池，采用锂的化合物作为正极，将石墨作为负极，该电池基于电化学的嵌入/脱嵌反应，使锂离子在正负极间移动，从而达到充放电的目的。锂离子电池在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态;放电时则相反。

3 电动汽车锂离子电池火灾爆炸成因分析

基于现有研究表明，电动汽车动力锂电池发生火灾的主要原因是电池的化学能释放，产生大量热量，使电池出现高温与高压，最终表现形式为热失控和热失控扩展引起的燃烧或爆炸。Q.S Wang[3]等学者概述了锂离子电池热失控理论、基本反应、热模型、模拟和实验工作，认为锂离子电池热失控是电解质、阳极和阴极之间的放热反应引起的，随温度和压力升高，引起锂离子电池鼓胀、喷射，最终造成火灾和爆炸。

锂离子电池发生热失控的主要外因一般分为：机械滥用、电气滥用、自身缺陷、高温环境四类，均会导致电池内部产生不可逆的放热反应，进而形成火灾爆炸事故。

现实条件下，锂离子电池在产生大量热量导致温度急剧升高一般会造成两种情况，一是反应产生的热量达到可燃物燃点从而产生火灾;二是封闭情况下的锂离子电池易集聚大量热量导致体系内的温度过高，加速电池内活性物和电解液的分解和反应，生成大量气体，导致电池内压力过大，瞬间超过安全阀泄压能力，导致喷射火甚至爆炸事故的产生。动力锂电池发生火灾往往是一系列的连锁反应，由单个或单组锂电池发生热失控，并在相对封闭的条件下发生热传播造成电池组整体性、立体性火灾。锂离子电池中同时含有加压的环境下易燃的电解质，提高了锂离子电池发生火灾爆炸事故的风险。

4 动力锂离子电池火灾爆炸主要危险性

电动汽车动力锂离子电池火灾事故主要危险性呈现为：一是火灾发展快、温度高、蔓延迅速，具有爆炸风险;二是燃烧产物成分复杂，且具有毒性;三是燃烧能量高，持续时间长，复燃可能性较高;四是部分未燃烧电池组可能存在机械故障等原因没有关闭而处于工作状态下，可能使车体带电。

5 基于动力锂离子电池火灾爆炸成因和主要危险性的灭火救援应对策略

5.1 灭火原则和策略选择

针对锂离子火灾成因的最终表现形式为热失控和热失控扩展的情况，在灭火过程中应当以控制热失控反应作为主要灭火原则，故在实际灭火过程中需要特别注意以下措施：

（1）为有效控制火灾蔓延速度，应当对锂离子电池周边明火进行扑灭，并建议使用细水雾进行灭火以取得最佳效果。

（2）抑制热失控应当减缓热失控反应速率，而高温是其反应速率增大的关键因素，因此灭火过程中应当向锂离子电池外部持续降温，降低热失控反应速率。

（3）针对在电动汽车灭火过程中可能出现的有毒物质危害和触电风险，消防指战员应当做好呼吸防护和防触电措施，通常情况下，所佩戴的灭火或救援手套没有绝缘功能，因此要佩戴不低于1级标准的灭火防护装备。

（4）坚持救人第一基本原则。对无法实施断电操作车辆，且火势对被困人员和救援人员造成威胁时，应视情使用喷雾水或干粉灭火器对火势进行压制，利用绝缘器材迅速开展救人行动。

（5）明火扑灭后应当持续监测一小时不复燃后方可移交其他处置部门。

5.2 灭火剂选择

针对火灾成因，在灭火剂的选择上应当考虑其必须具有良好的吸热效果，同时兼具有易得的特性，目前，国内外许多学者、机构和组织对如何选择扑救锂离子火灾的灭火剂进行了详尽的实验和分析，其中，德国机动车监督协会（DEKRE）模拟实验表明水可以成功扑救电动汽车锂离子电池火灾;以Model S车型为例，在特斯拉救援手册中，官方建议用大量的水扑灭电池火灾，完全熄灭并冷却电池火灾可能需要使用大约3000加仑（11356升）的水（直接浇在电池上）。综合考量，在处置电动汽车火灾时，消防救援队伍应当选择水作为最适宜的灭火剂进行扑救，同时应当保证供水充足以完全扑灭火灾。

应特别注意泡沫灭火剂不适用扑救锂离子电池火灾，由于泡沫会影响锂离子电池内部热量的散发，而且锂离子电池在热失控发生后会释放出可燃气体和氧气，因而用窒息、抑制或隔离原理灭火的二氧化碳或者泡沫灭火剂的灭火效果就会受到影响。

6 结语

本文通过对国内外电动汽车锂离子电池行业大量资料的收集、整理、分析、总结，从锂离子电池工作原理和基本结构、火灾爆炸主要成因和危险性等方面进行分析，提出基于动力锂离子电池火灾爆炸主要成因和危险性的灭火救援应对策略，包括个人防护选择、灭火技战术选择、灭火剂选择、安全管控等方面，对消防救援队伍参与电动汽车火灾爆炸事故扑救具有一定的理论指导作用。

电动汽车行业发展迅速，不断地有新材料的应用及新技术的产生，本文无法做到对该种灾害情况进行完整的实际分析，很多理论没有经过实战检验。希望能够持续加强相关基础知识的学习和积累，对不同的理念和技术有更深入地了解。

参考文献：

[1]崔胜民.新能源汽车[M].北京：化学工业出版社，2019：1-16.

[2]陈文丰.电动汽车火灾防治技术研究[D].西安：长安大学，2016.

[3]WANG Q S， PING P， ZHAO X J， et al. Thermal runaway caused fire and explosion of lithium ion battery[J]. Journal of Power Sources，2012，208：210-224.

[4]張磊，张永丰，黄昊，等.热过载锂电池热失控特性及其早期探测模式研究[J].消防科学与技术，2018，37（1）：55-58.

[5]张磊.电动汽车锂电池火灾特性及灭火技术[J].劳动保护，2019（5）：76-78.