龐 敏 魯 義，2副教授 施式亮教授 劉 勇 周榮義

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭411201；2.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭411201)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)與科技的高速發(fā)展，不可再生能源的消耗日益增加，臭氧層破壞，霧霾等環(huán)境問題也隨之而來，因此人們將目光逐漸轉(zhuǎn)向新能源的研發(fā)與運(yùn)用上。

鋰離子電池具有體積小、能量密度高、可循環(huán)使用且壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，被列為高效能源材料技術(shù)的優(yōu)先發(fā)展方向。我國(guó)在“863”計(jì)劃支持下開展了有關(guān)鋰電池的基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究，已取得一系列重要研究成果。鋰離子電池雖然性能優(yōu)越且應(yīng)用廣泛，但存在嚴(yán)重的安全問題，最主要的問題就是由于電池?zé)崾Э囟l(fā)的燃燒和爆炸[1]，嚴(yán)重威脅到人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。因此，對(duì)鋰離子電池火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管控進(jìn)行研究尤為重要。筆者通過查閱近年來相關(guān)文獻(xiàn)，主要從鋰離子電池火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)管控方面，針對(duì)鋰離子電池模型仿真研究技術(shù)、火災(zāi)防治材料以及各階段安全評(píng)價(jià)進(jìn)行綜述，并對(duì)現(xiàn)有研究的不足提供新思路。

1 鋰離子電池火災(zāi)現(xiàn)狀分析

1.1 鋰離子電池火災(zāi)事故典型案例

鋰離子電池火災(zāi)分布在鋰離子電池生命周期的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、回收等階段。比如生產(chǎn)階段，2016年3月26日晚，廈門海滄一鋰電池工廠起火，起火建筑為框架結(jié)構(gòu)，燃燒物質(zhì)為電瓶車鋰電池等雜物，無人員傷亡；運(yùn)輸階段，2006年美國(guó)一架DC-8貨機(jī)著火，在機(jī)場(chǎng)迫降后火仍持續(xù)燃燒了4h，貨物損失嚴(yán)重，同時(shí)還有3名機(jī)組成員受傷，經(jīng)調(diào)查為貨倉(cāng)內(nèi)筆記本用鋰離子電池著火所致；使用階段，2006年8月2日，在未受到撞擊的情況下，一部iphone6手機(jī)的鋰離子電池起火燃燒，機(jī)主受到三級(jí)燒傷；回收階段，2009年11月7日，加拿大特雷爾市的一個(gè)鋰離子電池回收倉(cāng)庫(kù)發(fā)生火災(zāi)，事故原因是鋰電池短路過熱，高溫引發(fā)燃燒。

1.2 鋰離子電池火災(zāi)特點(diǎn)

鋰離子電池火災(zāi)主要表現(xiàn)為C類預(yù)混火，在起火初期的本質(zhì)是氣體火災(zāi)[2]。鋰電池的著火形式主要有兩種，一種是以三元鋰電池為代表的主動(dòng)式噴射火，另一種是以磷酸鐵鋰電池為代表的被動(dòng)式預(yù)混氣體火[3]。

鋰離子電池火災(zāi)的特點(diǎn)可歸納為：燃燒速度快、溫度高；火焰噴射距離遠(yuǎn)，伴隨有內(nèi)溶物飛出；不同種類鋰電池火災(zāi)行為差異較大燃燒特征差異大；燃燒逸出氣體成分復(fù)雜，毒性大；滅火與應(yīng)急救援困難，復(fù)燃概率高。

1.3 鋰離子電池火災(zāi)誘因

導(dǎo)致鋰離子電池火災(zāi)最主要的原因是鋰離子電池受內(nèi)部或外部因素影響而引發(fā)的熱失控，其中，內(nèi)部因素有制造瑕疵以及自身缺陷，外部因素有過充電、短路、機(jī)械濫用、高溫?zé)釠_擊等。短路、針刺、撞擊導(dǎo)致鋰離子電池?zé)崾Э氐臋C(jī)理大致相同[4]。電池受到針刺、撞擊等外部機(jī)械因素影響時(shí)，破損部位內(nèi)部會(huì)發(fā)生短路，而電池短路就會(huì)有較大電流通過鋰電池，導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱，隨著溫度的升高，散發(fā)的熱量足以支撐熱分解反應(yīng)時(shí)，電池正極發(fā)生熱分解反應(yīng)，金屬鋰析出，與外界氣體接觸引發(fā)燃燒，導(dǎo)致熱失控[5]。

2 鋰離子電池火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管控

2.1 鋰離子電池模型仿真技術(shù)研究

Farid Bahiraei等[6]提出一種新三維耦合電化學(xué)熱模型，可以更加準(zhǔn)確地估計(jì)不同放電速率下電池的溫度分布。K.Darcovich等[7]通過運(yùn)用二維歐姆定律有限體積法，確定了棱柱形電池內(nèi)部的電流分布，建立了可用于表述汽車電池組熱狀態(tài)的簡(jiǎn)化電化學(xué)模型。張遙等[8]應(yīng)用CFD-ACE+軟件進(jìn)行建模，針對(duì)鋰離子電池充放電情況下的熱性能，進(jìn)行了仿真模擬，并對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明，除去電極和電解液的影響因素外，引流極耳、極柱和殼體的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以顯著改善電池內(nèi)部的熱分布。張立軍等[9]運(yùn)用相似原理，建立了一個(gè)將正負(fù)極集流板和電解液的歐姆熱等因素綜合考慮的三維分層耦合模型，對(duì)鋰離子電池內(nèi)部各層溫度的分布和生熱速率進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)負(fù)極平均生熱速率的變化大于正極。田華等[10]建立了電化學(xué)—熱耦合模型，發(fā)現(xiàn)在低放電倍率下，主要的生熱來源是可逆熱；在高放電倍率下，主要的生熱來源是液相中的歐姆熱。

2.2 鋰離子電池火災(zāi)防治材料研究

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋰離子電池火災(zāi)防治材料方面研究的公開報(bào)道較少，美國(guó)和歐洲是對(duì)該方面研究較早的國(guó)家，而國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)的研究主要集中在鋰電池燃燒特性方面[11]。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)是最早開展鋰電池火災(zāi)滅火劑技術(shù)研究的機(jī)構(gòu)之一。研究發(fā)現(xiàn)，水基型滅火劑滅火效果最佳，具有良好的降溫性能[12-13]。中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所針對(duì)船用動(dòng)力鋰電池，對(duì)滅火劑有效性進(jìn)行了研究，對(duì)比分析了干粉、二氧化碳以及七氟丙烷滅火劑對(duì)抑制鋰電池火災(zāi)的效果，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，七氟丙烷滅火劑滅火效果最佳且未發(fā)生復(fù)燃[14]。此外，李毅等[15]發(fā)現(xiàn)二氧化碳、3%的水成膜泡沫以及ABC干粉均能有效撲滅18650型鈷酸鋰電池火災(zāi)的明火，但三者均出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象，且發(fā)生復(fù)燃的時(shí)間與滅火劑的冷卻能力成正比。張青松等[16]發(fā)現(xiàn)在抑制鋰電池?zé)崾Э胤矫?，使用?xì)水霧滅火劑，可以有效撲滅鋰離子電池火災(zāi)，并且能長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)性抑制鋰離子電池?zé)崾Э?。劉昱君等[17]搭建了可用于多種滅火介質(zhì)的滅火測(cè)試平臺(tái)，通過實(shí)驗(yàn)得出抑制鋰離子電池火災(zāi)溫升效果最佳的滅火介質(zhì)是水，其次是全氟己酮，效果最差的是CO2。吳靜云等[18]梳理不同滅火劑對(duì)電池火災(zāi)的滅火效率，為電化學(xué)儲(chǔ)能電站的滅火系統(tǒng)提供選擇。

2.3 鋰離子電池生命周期各階段安全評(píng)價(jià)研究

鋰離子電池全生命周期包括鋰離子電池的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、使用、運(yùn)輸和回收。在鋰離子電池儲(chǔ)存方面，Mingyi Chen等[19]對(duì)兩種商用18650鋰離子電池(LiCoO2和LiFePO4)在不同充電狀態(tài)下的燃燒性能進(jìn)行測(cè)試，對(duì)鋰離子電池的熱危害性進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果表明，隨著燃燒性能增加，熱釋放率和總熱量上升，鋰離子電池起火的直接原因是固體電解質(zhì)界面分解以及聚合物隔膜收縮，其研究結(jié)果可為鋰離子電池的儲(chǔ)存和分配過程中的防火提供科學(xué)依據(jù)。在鋰離子電池使用和運(yùn)行方面，陳豪等[20]通過分析溫度、電壓、電流、功率等運(yùn)行參數(shù)，提出了儲(chǔ)能鋰電池運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估指標(biāo)，并對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明該指標(biāo)體系可以有效評(píng)估儲(chǔ)能鋰電池老化和故障情況。丁傳記等[21]分析了多種動(dòng)力鋰電池的性能以及事故發(fā)生機(jī)理，設(shè)計(jì)了適合動(dòng)力鋰電池的火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)和自動(dòng)滅火系統(tǒng)，同時(shí)還設(shè)計(jì)了適用于電池箱的快拆結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池箱的快速組裝與拆卸。在鋰離子電池鐵路運(yùn)輸方面，李霜[22]引入耗散結(jié)構(gòu)理論和熵理論，將“安全熵”作為評(píng)價(jià)鋰電池鐵路運(yùn)輸安全狀態(tài)的主要指標(biāo)，為鋰電池鐵路運(yùn)輸安全評(píng)價(jià)方法提供了新的思路和方法。在鋰離子電池航空運(yùn)輸方面，杜珺等[23-24]對(duì)FAA收錄的100多起鋰電池航空運(yùn)輸事故進(jìn)行分析，運(yùn)用三角模糊定量方法，建立鋰電池航空運(yùn)輸火災(zāi)事故樹，提出控制措施及管理方法。在鋰電池運(yùn)輸包裝方面，潘生林等[25]在對(duì)鋰電池運(yùn)輸包裝的安全要求方面，綜合考慮鋰電池火災(zāi)危險(xiǎn)特性及相關(guān)法律規(guī)章，提出了鋰電池運(yùn)輸包裝的設(shè)計(jì)要素和防護(hù)措施。在鋰離子電池回收再利用方面，肖姝宇[26]從鋰電池被使用需求的角度出發(fā)，分析電池內(nèi)部特征與電池老化的內(nèi)在關(guān)系，綜合考慮電池的容量衰減及功率衰減情況，提出了評(píng)價(jià)電池老化的新方法，為鋰電池淘汰及回收利用提供科學(xué)指導(dǎo)。趙光金等[27]研究了退役動(dòng)力單體鋰電池的可用性評(píng)價(jià)方法，通過對(duì)退役電池內(nèi)阻、剩余容量、壽命及隔膜性能等簡(jiǎn)單參量的計(jì)算，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)退役電池的快速、高效分選。在鋰電池火災(zāi)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)方面，王文和等[28]選用輻射熱和荷電狀態(tài)為變量，對(duì)3種不同品牌的電池進(jìn)行了燃燒實(shí)驗(yàn)，通過錐形量熱儀對(duì)電池的熱釋放參數(shù)、毒性參數(shù)等進(jìn)行分析，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上構(gòu)建了鋰離子電池火災(zāi)危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

3 鋰離子電池火災(zāi)管控下一步思考

以上學(xué)者針對(duì)鋰離子電池生命周期的各個(gè)階段分別進(jìn)行了研究，但沒有系統(tǒng)的對(duì)鋰離子電池全生命周期的風(fēng)險(xiǎn)管控進(jìn)行研究。下文將生物免疫機(jī)理引入對(duì)鋰離子電池火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)管控中，將鋰離子電池的安全管理系統(tǒng)比作人體免疫系統(tǒng)，分析生物免疫系統(tǒng)與鋰離子電池安全管理體系的耦合性，為實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的全生命周期安全管理提供一個(gè)新思路。

3.1 生物免疫機(jī)理

免疫機(jī)理即當(dāng)生物系統(tǒng)受到外來病毒侵害時(shí)，它會(huì)激活免疫系統(tǒng)本身，以保證整個(gè)生物系統(tǒng)的基本生理功能正常運(yùn)行。目前，生物免疫機(jī)理在安全管理中的應(yīng)用主要基于事故的預(yù)警和應(yīng)急。

3.2 生物免疫系統(tǒng)與鋰電池安全管理體系的耦合性

將鋰電池的整個(gè)生命周期看作是一個(gè)生物有機(jī)整體，其安全管理系統(tǒng)類似于生物體的免疫系統(tǒng)。有以下相似點(diǎn)：作用對(duì)象相似，即兩者的作用對(duì)象都是來自系統(tǒng)內(nèi)部及外部的危險(xiǎn)因素；組織構(gòu)成相似，即兩者都是嚴(yán)密的系統(tǒng)，免疫系統(tǒng)是免疫基因、免疫分子、免疫細(xì)胞、免疫器官等多種元素構(gòu)成的系統(tǒng)，而鋰電池安全管理體系是從鋰電池的生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用和回收各個(gè)階段都有相對(duì)應(yīng)的管理制度和管理部門，是一個(gè)完整的管理系統(tǒng)；功能相似，即兩者都是消滅有害因素，確保所依賴系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。免疫系統(tǒng)的基本功能是消滅各種侵襲機(jī)體的抗原，保護(hù)機(jī)體的健康，鋰電池安全管理體系的基本功能是消除各種危險(xiǎn)因素與隱患，避免事故的發(fā)生。

4 結(jié)論

關(guān)于鋰離子電池火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管控的研究，在鋰離子電池模型仿真技術(shù)方面，將試驗(yàn)與仿真技術(shù)的結(jié)合與運(yùn)用已成為現(xiàn)階段的研究趨勢(shì)，節(jié)能的同時(shí)可以提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，有利于更好的提高電池的安全性；在鋰離子電池火災(zāi)防治材料方面，未來的研究方向?qū)⑹遣捎盟蜏缁饎?，不斷?yōu)化細(xì)水霧，提高滅火效率，更好的控制火情。在鋰離子電池火災(zāi)的安全評(píng)價(jià)方面，涉及到鋰離子電池的生產(chǎn)、使用、運(yùn)輸、回收等階段，但沒有進(jìn)行整體的評(píng)價(jià)，而是將鋰離子電池的生命周期分割成各個(gè)階段。考慮到對(duì)鋰離子電池火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管控的系統(tǒng)性、全面性，可將鋰電池全生命周期的安全管理系統(tǒng)比作人體免疫系統(tǒng)，將生物免疫機(jī)理引入到對(duì)鋰離子電池火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管控中，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池全生命周期的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管控。