鋰電池火災原因

　　鋰電池起火原因，可以劃分成兩個大部分，自身原因和外部原因。自身原因主要是指自身材料、結構熱穩定性的好壞，對火災發生與否的影響；外部原因，指各種濫用手段，引發的鋰電池火災。

　　1.1自身原因

　　鋰電池由正極材料，負極材料和電解液組成，這幾部分的熱穩定性，直接影響著電芯發生熱失控的可能性。

　　負極材料的熱穩定性的影響因素

　　目前應用的負極材料，絕大部分是碳材料。在高溫條件下，石墨容易與電解液發生反應，尤其電池荷電量高的狀態，LiC6更是能夠提升反應的激烈性。

　　有研究發現，負極開始反應放熱的溫度起點，與碳材料的顆粒度有關，顆粒越大，其開始反應的溫度就越高，也就越安全。同時，不同結構的碳材料參與電解液的反應，其放熱量并不相同，石墨就比無定型碳（主要指軟碳和硬碳）放熱量大。

　　正極材料熱穩定性的影響因素

　　當前應用廣泛的鋰電池正極材料，都是鋰的化合物。磷酸鐵鋰，錳酸鋰和三元鋰，如果泛泛的說，三者的安全性是從高到低排列的。而有人專門對正極材料在這些電池安全性中的影響做了研究。

　　研究認為，鋰的化合物分子式中，鋰的含量越高，其熱穩定性就越差，開始與電解液反應的溫度就越低。有個定量的比較，分子式中各個原子的比例系數，當鋰的系數是0.25時，其反應溫度為230℃；如果這個數值變成1，其起始反應溫度就變成了170℃。此外，如果正極材料中含有除了鋰以外的其他金屬元素，則含錳元素的正極材料比含鎳元素的正極材料熱穩定性好。

　　電解液熱穩定性影響因素

　　電解液可以說是熱穩定性問題的核心，它的穩定性直接影響整個體系的穩定性。有人針對電解液的熱穩定性做了一些列研究，結果表明：

　　電解液中的碳酸二甲酯含量越高，其熱穩定性越差，越容易與正負極材料發生反應；電解液與越多類型材料相容性差，也就是在較低的溫度下可以與多種不同的鹽類發生反應，說明它越活潑，其熱穩定性就越差。

　　老化帶來的熱失控

　　老化是一個綜合的過程，負極SEI膜結構老化，出現破損，引發自生熱過程；負極鋰枝晶堆積，造成內短路或者遇到高溫環境與電解液激烈反應。老化帶來的內阻上升，使得熱積累出現的概率上升。總的來說，老化與熱失控風險存在正相關性。

　　鋰電池滅火主要是由于熱失控原因造成的，如果需要滅火，首先需要搞明白熱失控的真實原因。引起鋰電池熱失控的因素主要有外部短路、外部高溫和內部短路。◎內部短路：由于電池的濫用，如過充過放導致的支晶、電池生產過程中的雜志灰塵等，將惡化生成刺穿隔膜，產生微短路，電能量的釋放導致溫升，溫升帶來的材料化學反應又擴大了短路路徑，形成了更大的短路電流，這種互相累積的互相增強的破壞，導致熱失控。下面以鈷酸鋰電芯為例，簡述一個典型熱失控過程。A：準備階段，電池處于滿電狀態；B：內短路發生，大電流通過短路點而產生熱量，并通過LiC6熱擴散，達到SEI膜分解溫度，SEI膜開始分解，放出少量CO2和C2H4,殼體輕微鼓脹，隨著短路位置的不斷放電，電池溫度的不斷上升，電液中鏈狀溶劑開始分散，LiC6與電液也開始反應放熱，伴隨著C2H5F\C3H6\C3H8產生，但反應較慢，放熱量較小；C:隨著放電的進行，短路位置溫度繼續升高，隔膜局部收縮融化，短路位置擴大，溫度進一步升高，當內部溫度達到Li0.5Co02的分解溫度時，正極瞬間分解，并釋放O2,后者于電液瞬間反應放出大量熱量，同時放出大量CO2氣體，造成電池內壓增大，如果壓力足夠大，沖破電池殼體，引起電池爆炸；D:如果殼體炸開，極片散落，溫度不會繼續升高，反應終止；但如果殼體只開裂，極片沒有散落，這時LiC6繼續與電液反應，溫度會繼續升高，但升溫速率下降，由于反應速率較慢，所以可以維持較長時間；E:當電池內部反應的產熱速率小于散熱速率時，電池開始降溫，直至內部反應完畢；◎外部短路：實際車輛運行中發生危險的概率很低，一是整車系統裝配有熔斷絲和電池管理系統BMS，二是電池能承受短時間的大電流沖擊。極限情況下，短路點越過整車熔斷器，同時BMS失效，較長時間的外部短路一般會導致電路中的連接薄弱點燒毀，很少導致電池發生熱失控事件。現在，比較多的PACK企業采用了回路中加熔斷絲的做法，更能有效的避免外短路引發的危害。◎外部高溫：由于鋰電池結構的特性，高溫下SEI膜、電解液、EC等會發生分解反應，電解液的分解物還會與正極、負極發生反應，電芯隔膜將融化分解，多種反應導致大量熱量產生。隔膜融化導致內部短路，電能量的釋放又增大了熱量的生產。這種累計的互相增強的破壞作用，其后果是導致電芯防爆膜破裂，電解液噴出，發生燃燒起火。基于以上原因，對鋰電池進行滅火處理，讓我們看下特斯拉和通用的推薦：1.如果遭遇小火災，火焰沒有蔓延到高壓電池部分，可以采用二氧化碳或ABC干粉滅火器滅火。2.在徹底檢查火情的時候，不要與任何高壓部件接觸，始終使用絕緣工具進行檢查。3.儲存氣體的充氣瓶、氣體支柱和其他組件可以達到沸騰液體膨脹蒸汽爆炸的極端溫度。在檢查到事故的“熱區”前，要進行有適當精細防護的拆解。4.如果高電壓電池在火災中彎曲、扭曲、損壞，總之就是變得不成樣子，或者懷疑電池出現問題。那么滅火時的用水量不能太少，消防用水要有足夠的量。5.電池著火可能需要24小時才能完全撲滅。使用熱成像攝像頭，可以確保高電壓電池在事故結束前完全冷卻。如果沒有熱成像攝像頭，就必須監控電池是否會復燃。冒煙表示電池仍然很熱，監控一直要保持到電池不再冒煙的至少一小時之后。通用沃藍達的應急救援手冊中對電動汽車的消防滅火是那樣指導的：如果電池達到足夠高的溫度，泄漏和釋放電解質，電解液肯定是易燃品。這就需要用大量的水來冷卻電池和滅火，因為直流和交流系統沒有接地，消防員可以安全的用水作為主要滅火劑，而且沒有觸電的危險。ABC干粉滅火器不會熄滅電池火焰。消防員應避免在滅火或解脫操作任何高壓組件中的內部直接接觸，這會潛在導致電擊。

　　針對鋰電池的滅火研究，已經在國內引起了重視。10月底的一個汽車行業展覽會上，不止一個報告是探討鋰電池火災研究成果的，但暫時只是針對鋰電池火災的特點進行歸納，具體滅火手段的研究還不太深入。

　　具體滅火手段研究方面，走在前面的是德國，美國和英國。

　　德國，針對電動汽車火災的撲救，進行過對比實驗。結果發現，電動汽車火災可以用水撲滅，但是耗水量大。添加F-500和Firesorb添加劑后，滅火效果大為改觀。

　　美國的研究發現，鋰電池火災本質上是熱失控引起的，滅火手段中降溫是一個重點。針對便攜式設備的鋰電池起火，篩選實驗結果顯示，水基滅火劑降溫效果最好，氣體及干粉類滅火劑效果不佳。

　　英國主要是針對特種過程中的便攜設備鋰電池起火進行實驗，篩選出的滅火劑類型為Halon和FE-36，并規定使用它們處置航班上發生的鋰電池起火。