鋰離子電池火災(zāi)事故原因分析及解決對(duì)策

謝振岳

（靜安區(qū)消防救援支隊(duì)，上海 200000）

1 電池結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 電池結(jié)構(gòu)組成

在鋰離子電池中，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)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(xué)反應(yīng)，從而保證了電池的安全運(yùn)行。②負(fù)極襯膠層。負(fù)極襯膠層的作用是阻止放電時(shí)電極和材料之間的界面反應(yīng)，同時(shí)起到保護(hù)的效果；而當(dāng)電池的容量達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)對(duì)電池進(jìn)行循環(huán)充電，這樣就可以延長(zhǎng)了二次使用的時(shí)間；③外殼。負(fù)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(shè)備的安全性得到保障。但是由于現(xiàn)在的隔膜技術(shù)還不夠成熟，所以還需要進(jìn)一步地改進(jìn)才能滿足實(shí)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(fù)極材料脫嵌并嵌入到正負(fù)電極材料中，通過電解液在正負(fù)電極材料中自由流通，把正、負(fù)兩種活性材料的化學(xué)能量轉(zhuǎn)換成電能。例如，在鈷酸鋰的陽(yáng)極處，CO3+和 Li+分別處于一個(gè)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(diǎn)出現(xiàn)了脫嵌，Li+穿過膜片埋入到負(fù)極中，同時(shí)釋放一個(gè)電子，CO3+還原為 CO4+，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；在放電過程中，Li+從負(fù)極離嵌，通過 Li+穿過隔板，插入到正八面體中，形成一個(gè)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(fù)電極上前后運(yùn)動(dòng)。電池的充放電反應(yīng)式為公式（1）式（3）。

2 影響鋰電池火災(zāi)的因素

2.1 過充對(duì)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(gè)儲(chǔ)存的能量而進(jìn)行的充電過程。鋰離子電池的使用壽命主要受其內(nèi)部溫度、化學(xué)穩(wěn)定性和循環(huán)性能等因素的影響。而當(dāng)鋰離子電池的容量達(dá)到了一定的數(shù)值時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致其失活。當(dāng)鋰離子電池的容量到達(dá)了極限時(shí)，就會(huì)對(duì)其造成嚴(yán)重的損壞甚至爆炸。在實(shí)際生產(chǎn)中，過充可能會(huì)使一些有毒的物質(zhì)進(jìn)入到電解液中，從而對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響?；蛘呤且?yàn)檫^度放電引起的短路，使得電解液的導(dǎo)電性變差，最終被燒毀。所以，為了避免這些危險(xiǎn)情況的出現(xiàn)就要盡量減少對(duì)鋰離子電池過充的現(xiàn)象，以延長(zhǎng)它們的生命周期或使它的安全性極大提高。

2.2 短路對(duì)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(fù)電極上的沉淀不均，易于形成樹枝狀晶體，這時(shí)，由于鋰枝晶的大量生成，樹枝狀晶體的斷裂導(dǎo)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(dǎo)致正、負(fù)電極之間的短路和自放電，從而導(dǎo)致鋰電池的發(fā)熱和燃燒。由于過多的充放電導(dǎo)致了鋰離子電池的過熱，電極上的針狀物會(huì)導(dǎo)致電極產(chǎn)生微小的短路，而隨著電池的升溫，電解液蒸發(fā)，電池組內(nèi)壓力上升，導(dǎo)致電池中的氧化，從而導(dǎo)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(huì)對(duì)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(nèi)部結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的；其中包含了多個(gè)鐵氧體，且這些鐵氧體的存在使得其容易被氧化，從而導(dǎo)致其出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。而當(dāng)發(fā)生這種情況的時(shí)候就需要相關(guān)人員及時(shí)地進(jìn)行處理，以免對(duì)設(shè)備和電路的正常運(yùn)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(huì)產(chǎn)生改變，比如，當(dāng)太陽(yáng)光照射到時(shí)，會(huì)直接與氧氣接觸，使催化劑的活性降低，催化反應(yīng)速度下降，甚至可能引發(fā)燃燒或者爆炸的問題。③當(dāng)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(xiǎn)；而如果含水的比例過大，則易引起火災(zāi)。所以說，對(duì)于外部的沖擊性的防護(hù)要加強(qiáng)，防止火災(zāi)的擴(kuò)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(zhì)隔離。隔膜的好壞直接影響電池的使用壽命，所以在生產(chǎn)過程中要重視電池的隔膜問題。首先，在設(shè)計(jì)鋰離子電池時(shí)，要考慮到電池的容量、溫度等因素，并根據(jù)實(shí)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(yīng)該將絕緣層的厚度控制在3~5mm以內(nèi)。另外，還可以通過對(duì)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(zhǎng)了使用期限。

3 電池火災(zāi)危險(xiǎn)性

高溫：因鋰的活動(dòng)及電解質(zhì)的可燃性，導(dǎo)致蓄電池著火時(shí)會(huì)釋放出較多的熱，特別是當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，會(huì)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(huì)被水蒸氣所分解，釋放出五氟化磷。五氟化磷是一種對(duì)皮膚和黏膜有強(qiáng)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(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的分解反應(yīng)，產(chǎn)生有毒、腐蝕性的氟化物。

爆炸：通常是由于內(nèi)部和外部原因?qū)е碌碾姵夭牧媳ǎ瑢?dǎo)致了大量的排氣口破裂或者破損，在短期內(nèi)形成高溫和壓力，導(dǎo)致電池外殼膨脹、破裂甚至爆炸；斷裂的殼體還會(huì)引起氧的涌入，使聚于陰極處的鋰分子發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)而發(fā)生爆炸。

4 事故處置

4.1 現(xiàn)場(chǎng)詢情

現(xiàn)場(chǎng)的信息收集是整個(gè)研究過程中的重要環(huán)節(jié)，首先，要了解相關(guān)的法律法規(guī)，并在與工作人員溝通的基礎(chǔ)上，確定了本次調(diào)研的目的及方向。其次，要掌握現(xiàn)場(chǎng)的情況以及可能出現(xiàn)的突發(fā)事件，如火災(zāi)事故發(fā)生后，消防車的運(yùn)行狀態(tài)，是否有漏電現(xiàn)象，如果發(fā)現(xiàn)了火災(zāi)，就要立即通知維修部門，及時(shí)進(jìn)行處理。同時(shí)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(duì)于一些特殊的工種，比如說加氣站的員工應(yīng)戴安全帽，并做好相應(yīng)的防護(hù)措施。

4.2 警戒疏散

火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是一種能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)火災(zāi)情況做出判斷并向用戶提供相應(yīng)的信息和警報(bào)的裝置和設(shè)備。它可以通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)來確定是否有必要發(fā)出聲音或燈光提醒。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，其內(nèi)部的煙霧濃度會(huì)迅速升高，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)引起人員的恐慌或者窒息。因此，在設(shè)計(jì)鋰離子電池組的安全預(yù)警系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該充分考慮到可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)因素，并且要盡可能地使整個(gè)體系的安全性都能得到有效的保障；另外，還必須保證應(yīng)急的反應(yīng)時(shí)間，避免因?yàn)橥话l(fā)事件而導(dǎo)致的誤報(bào)。

4.3 安全防護(hù)

安全防護(hù)主要包括以下幾方面：①防火墻的設(shè)置，在進(jìn)行安全防護(hù)時(shí)，應(yīng)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(duì)設(shè)備的損壞。同時(shí)，還應(yīng)注意對(duì)員工的疏散通道、出口的位置及方位等采取相應(yīng)的保護(hù)措施。②防雷擊的裝置和接地的設(shè)計(jì)，當(dāng)雷擊引發(fā)的火災(zāi)時(shí)，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(dá)到降低感應(yīng)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(dǎo)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(shí)，空氣中的氧含量和可燃物濃度之間的關(guān)系所形成的一種狀態(tài)。燃燒會(huì)生成二氧化碳、二氧化硫等有毒有害物質(zhì)?；馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)的人員一般是在室外進(jìn)行，所以要對(duì)其采取一定的措施來防止火勢(shì)的蔓延與擴(kuò)散。針對(duì)鋰電池企業(yè)或蓄能器發(fā)生火災(zāi)時(shí)，采用特殊的泄漏探測(cè)儀、熱成像儀、紅外測(cè)溫儀和有毒可燃?xì)怏w探測(cè)儀。針對(duì)電動(dòng)車發(fā)生的交通意外，使用特殊的泄漏探測(cè)器、熱成像儀、紅外測(cè)溫儀等檢測(cè)出蓄電池的電壓和溫度，并與某品牌的維修工程師取得聯(lián)系，獲取有關(guān)的救援指導(dǎo)。

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(fù)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?yàn)殇囯姵氐幕瘜W(xué)反應(yīng)會(huì)不斷地產(chǎn)生大量的熱量，所以使用干粉滅火后，容易復(fù)燃。在被燃?xì)鉁缁饎?、干粉或泡沫包裹的情況下，電池內(nèi)仍然會(huì)產(chǎn)生化學(xué)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(duì)著火的電池進(jìn)行滅火。

4.5.2 警惕爆炸發(fā)生

企業(yè)應(yīng)在日常生產(chǎn)中加強(qiáng)對(duì)鋰離子電池的管理和維護(hù)，并在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、使用等環(huán)節(jié)中嚴(yán)格把控，確保安全。同時(shí)應(yīng)配備專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，防止事故的發(fā)生和擴(kuò)大。在實(shí)際的操作過程中，必須遵循以下幾個(gè)基本原則：①科學(xué)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(duì)于不經(jīng)常更換的充電線，應(yīng)該選擇合適的線路以延長(zhǎng)電池的壽命或者縮短其用時(shí)。③為了保障火災(zāi)的預(yù)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(dòng)車事故救援

根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)情況，合理劃定作業(yè)區(qū)和工作區(qū)。作業(yè)區(qū)域應(yīng)設(shè)置在事故車輛周圍5m以內(nèi)，僅有急救和營(yíng)救工作的工作人員可進(jìn)入。工作區(qū)域應(yīng)設(shè)置在參加救護(hù)工作的人員的周圍10m以內(nèi)。在停電處理過程中，應(yīng)在專家的協(xié)助下，佩戴等級(jí)不少于1的隔離手套，將維護(hù)或切斷電源的電源從電源插座中拔出（拉）出來，并將電動(dòng)汽車的鑰匙插入到一個(gè)信號(hào)保護(hù)包中或者放在10m之外的地方。當(dāng)車身出現(xiàn)了一定的畸變時(shí)，應(yīng)該選用能夠偵測(cè)到直流電流的漏電流，采用1 000V的萬用表對(duì)高、低壓線路進(jìn)行測(cè)量，然后利用絕緣剪刀切斷線路。確定停電后，配合醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行緊急搶救，維持病人的生命跡象，并建立搶救的通道。當(dāng)汽車發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)采取噴灑或噴灑水劑來冷卻火災(zāi)區(qū)域，嚴(yán)禁用直流水射水濺向電池箱體。

4.5.4 防范復(fù)燃復(fù)爆

要合理設(shè)計(jì)與改進(jìn)鋰離子電池，以提高其安全性能，在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)不同的情況來制定相應(yīng)的方案和措施。比如說，當(dāng)電池的容量達(dá)到了一定的要求時(shí)，就應(yīng)該及時(shí)更換充電電源或替換掉老化電池，以防止發(fā)生復(fù)燃復(fù)爆的危險(xiǎn)。當(dāng)電池的存儲(chǔ)環(huán)境發(fā)生改變，導(dǎo)致其無法滿足儲(chǔ)存需求時(shí)可以采用抽空的方式防止外界干擾；當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)的故障時(shí)，應(yīng)對(duì)電池放電時(shí)間做出調(diào)整，以保證下次正常工作。還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)鋰離子的管理和維修。對(duì)于那些已經(jīng)損壞的設(shè)備或部件，要定期地檢查并修理，避免再次被腐蝕。同時(shí)還要做好日常的維護(hù)保養(yǎng)，以防意外事故的發(fā)生而影響到整個(gè)企業(yè)的運(yùn)行狀況。

5 結(jié)束語

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池的發(fā)展前景是非常可觀的。隨著人們對(duì)安全意識(shí)的增強(qiáng)和對(duì)環(huán)境友好型的追求以及國(guó)家政策的支持與鼓勵(lì)，我國(guó)在鋰離子電池的研制方面取得了很大的進(jìn)步與突破，但相比于一些發(fā)達(dá)國(guó)家，仍然還有較大的差距；因此，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)的現(xiàn)狀提出幾點(diǎn)建議，希望能為相關(guān)企業(yè)在今后的生產(chǎn)中提供一定的參考價(jià)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(cè)系統(tǒng)來保證其可靠性和使用壽命。其次就是要加強(qiáng)充電控制，采用多種方法進(jìn)行管理，比如：延長(zhǎng)充放的時(shí)間、設(shè)置自動(dòng)報(bào)警裝置等。最后，還應(yīng)該加大研發(fā)的資金投入，開發(fā)新的技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作，從而降低成本，使其能夠更好地發(fā)揮作用。