摘要：隨著對環(huán)保和能源效率要求的提高，船舶行業(yè)積極探索新型動力解決方案，如動力電池等。鋰電池作為動力船舶的主要能源，因高能量密度和長壽命特性而受到廣泛應用。然而，鋰電池火災和爆炸的風險對船舶及人員安全構成嚴重威脅。因此，針對新型動力船舶鋰電池火災爆炸的危害，分析其原因并提出了相應的預防策略，如選用穩(wěn)定性更高的鋰電池和采用更安全的材料和更合理的結構，建立嚴格的操作規(guī)程和配備高效的電池管理系統(tǒng)等。希望有助于降低鋰電池火災與爆炸的風險，確保船舶和人員的安全。

關鍵詞：新型動力船舶；鋰電池；火災爆炸

中圖分類號：X928.7 文獻標識碼：A 文章編號：2096-1227（2024）06-0085-03

當前，船舶行業(yè)正在積極探索新型動力解決方案，廣泛利用新型能源技術，如風能、太陽能、動力電池等，以實現(xiàn)多元化的動力供應。這些新技術的應用使得船舶的動力系統(tǒng)更加靈活多樣，同時也提高了船舶的能源利用效率。

動力電池主要有鉛酸電池、鋅銀電池、鎳氫電池、鋰離子電池和燃料電池等幾種類型。鋅銀電池由于用銀量多、價格貴、壽命短，沒有大量推廣應用；鎳氫電池在中國近十年來也投入大量人力物力開發(fā)，但距實用化的動力應用還有一定距離。目前主流動力電池主要是鉛酸、鋰離子和燃料電池[1]。其中鋰離子電池以其高能量密度和環(huán)保特性成為主流選擇，成為眾多設備和車輛的首選動力源。然而鋰電池也存在火災和爆炸的風險，這些風險可能由過熱、短路或機械損傷引起，嚴重威脅船舶安全和船員健康。因此，必須對船用鋰電池系統(tǒng)實施嚴格的安全管理，包括規(guī)范操作程序、定期檢查與維護，以及制訂和演練應急預案，以最大限度降低鋰電池火災與爆炸的風險，確保船舶和船員的安全。

1 上海市已開展的內(nèi)河新能源動力船舶應用

上海市新能源動力船舶已經(jīng)在游覽船、輪渡、運輸船和公務船等各類船型廣泛開展應用。游覽船方面，上?！耙唤缓印彼蜷_展應用有久事旅游集團運營的純電動“上海久事”號和蘇州河9m純電動游船6艘、15m純電動游船6艘。輪渡方面，典型應用代表為上海客輪運營的車客渡船“新生態(tài)”輪。公務船方面，典型應用有上海水務局運營的內(nèi)河新能源公務巡邏船“青浦水務”3號、國網(wǎng)上海新能源船舶“浦龍”號護纜船，見表1。

2 新型動力船舶鋰電池火災爆炸的原因分析

2.1 電化學不穩(wěn)定性及內(nèi)部短路

在充電和放電過程中，鋰離子在正負極之間通過電解質(zhì)和隔膜移動。然而，由于一系列復雜的化學反應和物理變化，鋰電池可能表現(xiàn)出電化學不穩(wěn)定性，從而增加內(nèi)部短路的風險[2]。

一是電解液分解。在充放電過程中，電解液的溶劑和鹽類可能分解，產(chǎn)生氣體或高能化合物，這會改變電解液的成分，形成固體沉淀或氣泡，增加電池內(nèi)部壓力與不穩(wěn)定性。例如在充電時，碳酸酯類溶劑和六氟磷酸鋰等鋰鹽分解，產(chǎn)生氟化物離子和五氟化磷氣體，這些氣體不僅改變電解液成分，還可能導致電池內(nèi)部壓力增加，引起膨脹、損壞或破裂，增加安全隱患。

二是活性物質(zhì)脫落。鋰離子電池的正負極活性物質(zhì)在充放電循環(huán)中可能脫落或結構破壞。例如，鈷酸鋰等正極材料在充放電中體積變化導致結構不穩(wěn)定，可能引發(fā)顆粒脫落或結構破壞，這些脫落顆?？赡芏逊e或形成導電通路，導致正負極間短路。負極的碳或石墨材料也可能因結構破壞而脫落，同樣引起內(nèi)部問題。

三是鋰枝晶形成。充電過程中可能在負極表面形成鋰枝晶，這些不規(guī)則沉積的鋰金屬可能穿透隔膜，直接引發(fā)正負極間的內(nèi)部短路。這種短路可能導致電池過熱，電解液分解生成氣體，增加內(nèi)部壓力，甚至可能引發(fā)爆炸或火災[3]。

2.2 鋰電池設計和制造缺陷

設計和制造中的缺陷是引發(fā)火災和爆炸的重要原因之一。不適當?shù)碾姵卦O計，如選擇不當?shù)母裟げ牧?、電極材料配比錯誤或裝配質(zhì)量低下，都可能導致電池性能不穩(wěn)定。此外，不嚴格的質(zhì)量控制也可能使生產(chǎn)的電池存在安全隱患。

一是隔膜材料選擇不當。隔膜用于鋰離子電池中隔離正負極，防止短路。不適合的隔膜材料選擇可能影響其隔離性能，增加內(nèi)部短路的風險。例如，使用低質(zhì)量或不適合的聚合物材料可能在高溫下導致隔膜失效，使正負極直接接觸，引發(fā)內(nèi)部短路。

二是電極材料配比不正確。電極中活性物質(zhì)的不正確配比可能導致電極容量不均或循環(huán)壽命下降。如正極中鈷、鎳、錳比例不當，可能在充放電過程中產(chǎn)生不穩(wěn)定極化，增加熱失控的風險。

三是裝配質(zhì)量問題。電池裝配時，如果電極疊放不均或存在空隙，可能導致電池內(nèi)部壓力不均，加劇熱失控的風險。電極與隔膜之間的松動或不良接觸也可能引起內(nèi)部短路。

四是質(zhì)量控制不嚴。不嚴格的質(zhì)量控制可能導致電池存在多種缺陷，例如，電解液中雜質(zhì)過多可能使電解液不穩(wěn)定，甚至觸發(fā)化學反應；電極材料制備時的不當控制可能導致電極結構不均，增加熱失控的風險。

3 預防策略

電池系統(tǒng)作為船舶的主要動力來源，其火災不僅會導致船只動力喪失，增加船舶自救的復雜性，還可能造成航道阻塞，引發(fā)更多的次生災害。因此，確保電池系統(tǒng)的絕對安全是降低這些風險的關鍵，需要通過嚴格的風險控制和安全管理措施來實現(xiàn)。

3.1 技術層面

3.1.1 選用穩(wěn)定性更高的鋰電池

市場上常見的鋰電池類型及其特性對比見表2。在船用電池領域，鈷酸鋰電池由于抗過充能力較弱、安全性較低，以及鈷的放射性和稀缺性，存在多種問題。三元電池雖能量密度較高，但其安全性和成本問題限制了在國內(nèi)的廣泛應用。相對而言，錳酸鋰電池雖容量較低，在高溫環(huán)境下易溶解和衰退，其安全性和穩(wěn)定性不如磷酸鐵鋰電池。鈦酸鋰電池雖具有平臺電壓低、功率密度低、高溫下易膨脹及成本高等缺點，其應用于船用電池領域受限。因此，磷酸鐵鋰電池因其高安全性、較低成本及較高的能量密度，應被視為主流選擇。

3.1.2 采用更安全的材料和結構

為了提高船用電池的安全性并減少火災及爆炸風險，研發(fā)改進電解質(zhì)和隔膜材料是關鍵。固態(tài)電解質(zhì)因其耐用性和安全性被視為有前景的解決方案，能有效減少熱失控和電解液泄漏的風險。此外，改性液態(tài)電解質(zhì)中加入阻燃劑，如磷酸鹽和氟化物，可以降低其易燃性，然而，含磷阻燃劑在還原條件下易分解，并對鋰金屬有較高的反應活性，可能導致固體電解質(zhì)界面（SEI）不穩(wěn)定，影響電池性能。因此，添加能與鋰金屬形成穩(wěn)定SEI的成分，如磷酸三甲酯（TMP）、磷酸三乙酯（TEP）和磷酸三苯酯（TPP），可以有效保護鋰負極。同時，引入耐高溫的阻燃隔膜，如基于BPPO的隔膜，通過其內(nèi)部結構增強熱穩(wěn)定性并在高溫下釋放溴自由基，能有效阻斷火災觸發(fā)的自由基鏈反應，并且在200℃的極端溫度條件下，該隔膜仍能維持形狀和功能不變。

3.2 操作層面

3.2.1 建立操作規(guī)程與日常維護

在操作層面，建立嚴格的操作規(guī)程至關重要。這包括制定詳細的充電和放電管理步驟及標準，并明確操作人員在電池系統(tǒng)操作中應遵循的具體程序，以及在充電和放電過程中應注意的安全措施。同時，規(guī)定充電和放電的時間、溫度和電流參數(shù)，確保操作的準確性和安全性[4]。

此外，定期進行電池檢查和維護是確保電池系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行的關鍵。這包括定期進行電池外觀檢查、電壓和溫度監(jiān)測，以及清潔和維護電池及其周圍環(huán)境。建立詳盡的記錄和報告制度，能及時發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，保障電池系統(tǒng)的安全性和可靠性。

3.2.2 配備電池管理系統(tǒng)（BMS）

需配備高效的電池管理系統(tǒng)（BMS），系統(tǒng)應采用三級架構，逐級監(jiān)控，包括“電池包從控BMS、從控高壓盒、主控高壓盒”，確保每組電池包的獨立性，即使單電池包出現(xiàn)故障也不會影響整個系統(tǒng)。多功能監(jiān)控和三級預警保護包括“一級預警、二級告警、三級保護”，涵蓋電池單體電壓、溫度、電流回路、環(huán)境溫度和電池系統(tǒng)絕緣電阻的測量；對電池充放電及其設備的控制；對電池單體和模塊間的均衡控制；以及過流、過充過放、高溫、自檢功能故障的保護和控制。此外，系統(tǒng)可對電池故障風險、低電量、充電不匹配等進行預警和報警，達到危險值時自動切斷保護。

3.2.3 防火與滅火

為防火滅火，需在船用鋰電池包內(nèi)置單元采集模塊進行電芯溫度和電壓的實時監(jiān)控。采集模塊分為一、二、三級報警，并在達到三級報警時自動切斷充放電回路，傳遞相關信號到監(jiān)控報警系統(tǒng)。電池包箱體設計應考慮防氧化和耐高溫性能，為其配備通風格柵或防爆措施，以利于通風散熱及滅火。電池包消防系統(tǒng)應依托于電池艙的整體消防系統(tǒng)。

合理選用滅火材料是控制火情的關鍵，與常規(guī)船舶使用二氧化碳作為固定滅火系統(tǒng)介質(zhì)所不同的是，在電動船舶則需要使用七氟丙烷作為固定滅火系統(tǒng)的滅火介質(zhì)。七氟丙烷作為一種高效、環(huán)保、無味、低毒的滅火劑，可以提高鋰離子電池熱失控的初始放熱溫度，縮短起始放熱時間，提高鋰電池的相對安全性[5]。

3.3 逃生和組織營救

發(fā)生不可控災害時，立即實施逃生和救援方案至關重要。船舶和陸地交通工具火災救援挑戰(zhàn)不同。救援指揮應考慮船只遠離岸邊的水域條件，如水流、風速和可用水源。救援隊應初步調(diào)查火災船舶的位置，如靠岸或河中心，明確救援計劃。了解船舶結構和裝載物，預測火源和潛在爆炸危險是關鍵。救援小組應登船詳查，評估火勢和逃生路線，確定被困人員位置。對于涉及人員密集的客運船舶或混合運輸船舶的火災，應迅速安全地疏散被困人員至救生艇或安全地點。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，如救生艇承載能力和安全距離，制訂有效的救援計劃。若火災船舶靠近岸邊，消防隊應迅速行動，在水槍掩護下進入船艙內(nèi)部，以最快速度進行人員疏散。對于位于開闊水域的船只，應利用附近的救生設施和船只，如救生艇和漁船，從上風向或側(cè)風向接近火場，利用軟梯或救生梯實施緊急疏散行動，確保所有人員的安全。

4 結束語

為護航上海市“一江一河”建設發(fā)展戰(zhàn)略順利實施，全力確保新型動力船舶在上海市水域的安全運行，本文針對鋰電池動力船舶提出了一系列預防策略，涵蓋了技術、操作和應急方面的措施。通過選用穩(wěn)定性更高的鋰電池、采用更安全的材料和結構、建立嚴格的操作規(guī)程、配備高效的電池管理系統(tǒng)，以及完善的逃生和組織營救方案，可以有效降低鋰電池火災與爆炸的風險，保障船舶和船員的安全。這些舉措將為新型動力船舶鋰電池系統(tǒng)的安全管理提供參考和指導，為船舶行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。

參考文獻

[1]丁偉.鋰電池儲能電站火災抑制與安全防護分析[J].中國科技縱橫，2024（2）：115-117.

[2]胡東燁，金澤.鋰電池儲能系統(tǒng)的火災特性分析及撲救要點[J].時代汽車，2024（1）：91-93.

[3]陳文博，顏健，孟凌杰，等.電動汽車動力鋰電池火災危險性的研究進展[J].電源技術，2021，45（2）：270-273.

[4]代旭日，何寧.鋰電池火災特點及處置對策[J].消防科學與技術，2016，35（11）：1616-1619.

[5]陳智明，王曉君.受限空間內(nèi)鋰電池火災撲救的試驗研究[J].今日消防，2021，6（7）：4-8.