杏彩体育:锂电池起火应该怎样灭火？

　　◎内部短路：由于电池的滥用，如过充过放导致的支晶、电池生产过程中的杂志灰尘等，将恶化生成刺穿隔膜，产生微短路，电能量的释放导致温升，温升带来的材料化学反应又扩大了短路路径，形成了更大的短路电流，这种互相累积的互相增强的破坏，导致热失控。下面以钴酸锂电芯为例，简述一个典型热失控过程。

　　B：内短路发生，大电流通过短路点而产生热量，并通过LiC6热扩散，达到SEI膜分解温度，SEI膜开始分解，放出少量CO2和C2H4,壳体轻微鼓胀，随着短路位置的不断放电，电池温度的不断上升，电液中链状溶剂开始分散，LiC6与电液也开始反应放热，伴随着C2H5F\C3H6\C3H8产生，但反应较慢，放热量较小；

　　C:随着放电的进行，短路位置温度继续升高，隔膜局部收缩融化，短路位置扩大，温度进一步升高，当内部温度达到Li0.5Co02的分解温度时，正极瞬间分解，并释放O2,后者于电液瞬间反应放出大量热量，同时放出大量CO2气体，造成电池内压增大，如果压力足够大，冲破电池壳体，引起电池爆炸；

　　D:如果壳体炸开，极片散落，温度不会继续升高，反应终止；但如果壳体只开裂，极片没有散落，这时LiC6继续与电液反应，温度会继续升高，但升温速率下降，由于反应速率较慢，所以可以维持较长时间；

　　◎外部短路：实际车辆运行中发生危险的概率很低，一是整车系统装配有熔断丝和电池管理系统BMS，二是电池能承受短时间的大电流冲击。极限情况下，短路点越过整车熔断器，同时BMS失效，较长时间的外部短路一般会导致电路中的连接薄弱点烧毁，很少导致电池发生热失控事件。现在，比较多的PACK企业采用了回路中加熔断丝的做法，更能有效的避免外短路引发的危害。

　　◎外部高温：由于锂电池结构的特性，高温下SEI膜、电解液、EC等会发生分解反应，电解液的分解物还会与正极、负极发生反应，电芯隔膜将融化分解，多种反应导致大量热量产生。隔膜融化导致内部短路，电能量的释放又增大了热量的生产。这种累计的互相增强的破坏作用，其后果是导致电芯防爆膜破裂，电解液喷出，发生燃烧起火。

　　3.储存气体的充气瓶、气体支柱和其他组件可以达到沸腾液体膨胀蒸汽爆炸的极端温度。在检查到事故的“热区”前，要进行有适当精细防护的拆解。

　　4.如果高电压电池在火灾中弯曲、扭曲、损坏，总之就是变得不成样子，或者怀疑电池出现问题。那么灭火时的用水量不能太少，消防用水要有足够的量。

　　5.电池着火可能需要24小时才能完全扑灭。使用热成像摄像头，可以确保高电压电池在事故结束前完全冷却。如果没有热成像摄像头，就必须监控电池是否会复燃。冒烟表示电池仍然很热，监控一直要保持到电池不再冒烟的至少一小时之后。

　　如果电池达到足够高的温度，泄漏和释放电解质，电解液肯定是易燃品。这就需要用大量的水来冷却电池和灭火，因为直流和交流系统没有接地，消防员可以安全的用水作为主要灭火剂，而且没有触电的危险。ABC干粉灭火器不会熄灭电池火焰。消防员应避免在灭火或解脱操作任何高压组件中的内部直接接触，这会潜在导致电击。

　　8、高压供电源的电池组四周通韋存在保护性构件，难以直接喷射到着火点时。应采用大量的水充分冷却高压供电源电池组外部，以防止火势蔓延至相邻电池单元。

　　1、严禁使用破拆工具盲目穿透护罩或者穿刺、切割、撬开、拆卸车辆的任何结构，防止造成高压糸统与外界隔绝失效，产生电击危险。

　　4、锂离子电池具备持续放电特性，明火熄灭后，应继续出水对电池组进行持续冷却．并使用测温仪进行监测，直至电池温度降至160摄氏度以下，且经评估无烧、爆炸等风险

　　（二）在锂电池注液前工序发生火灾的，可按照A类火灾扑救方法，使用干粉、二氧化碳、泡沫、水等灭火剂。

　　（三）在锂电池注液工序发生火灾的，可按照B类火灾扑救方法，使用干粉、二氧化碳、泡沫等灭火剂。

　　（四）在锂电池化成工序和仓储、使用场所发生火灾的，可按照C类火灾扑救方法，使用大量水进行冷却降温，严防爆炸事故发生。

　　（六）设置水枪阵地时，应与着火点保持10米以上射水距离，并倚靠承重墙、牢固构件作为掩护体，严禁在砖砌墙、货架等非承重墙体周边及吊顶、安装有重物的楼板等下方设置水枪阵地，防止发生倒塌、掉落等突发伤害。

　　（七）锂离子电池具备持续放电特性，明火熄灭后，应继续利用水枪对火场进行持续冷却1小时以上，并使用测温仪进行实时监测。

　　家庭发生锂电池火灾事故，坚持“逃生第一”，然后一是立刻报警，二是断电，三是用大量的水浇灭降温，推荐持续冷却1小时以上，当然前提是生命不受威胁。

　　因为直流和交流系统没有接地，所以用水灭火没有触电危险。相反，如果使用ABC干粉灭火器，可能会因为无法降温而无力彻底熄灭电池火焰，往往还在冒烟。

　　在滥用条件下，当锂电池内部化学反应产热量大于自身散热量时，电池内部的温度会逐渐升高，当达到电池热失控临界温度后，电池内部的活性物质会发生分解反应并产生大量的热量，进一步促进链式反应的发生，最终导致电池发生热失控。

　　本文将围绕锂离子电池产热模型、产气及燃爆模型和热失控传播模型这三个方面，对其研究现状进行综述，并探讨锂离子电池热动力学建模相关研究的发展方向。

　　如图1所示，当锂离子电池处于工作或者滥用条件时，锂离子电池内部的能量平衡取决于三方面的因素：外部热源、内部产热和表面散热。来自外部热源的能量往往会造成电池的初始温升，是诱发锂离子电池热失控的关键因素；电池内部产生的热量主要包含充放电循环期间的电热以及高温下副反应释放的热量；此外，电池表面会通过热传导、热对流和热辐射的方式与周围环境进行换热。

　　通常可以采用瞬态的能量守恒方程来描述这些能量累积、传递以及释放的过程，在计算流体力学中，基于有限差分法(FDM)、有限体积法(FVM)及有限元法(FEM)的数值模型是构建锂离子电池三维传热模型的常用方法，其控制方程可以表示为

　　式中，方程左侧为电池温度的瞬态项，右侧第一项为温度扩散项。Qheat表示来自外部的热通量。Qele表示充放电过程中由于电荷转移和化学反应引发的电热，分为可逆热和不可逆热两个部分，Qrec表示由于电池内部活性材料分解释放的热量。表面散热项Qdis计算为热传导、热对流和热辐射导致的热量损失之和，分别可以表示为

　　除了守恒方程的构建外，还需要对电池的几何结构进行建模，并相应地进行网格划分。锂离子电池的卷芯是由集流体、正负极活性材料和隔膜经历多次卷绕而形成的层状结构，然而，求解这种多层的结构往往需要巨大的计算资源。因此，为了降低建模难度并提高计算效率，将电池的卷芯视为均一的固体结构是以往文献中的常用方法。

　　2 电热模型在充电以及放电过程中，电池内部会产生热量，按照热量产生的来源可分为可逆热和不可逆热。可逆热是指电池内部发生电化学反应时，Li+转移生成的热量，也被称为反应热或者熵热；不可逆热包含了极化热和欧姆热：极化热是电池极化效应产生的热量，欧姆热是电池欧姆内阻产生的热量。由于电池内部产热的复杂性，迄今为止已经引入了各种方程用来描述电池内部的产热过程，较为常见的锂离子电池电热模型可分为分布参数热模型和均匀参数热模型。

　　分布参数热模型考虑了电池内部产热的不均匀性，根据电池内部的电流密度和温度分布计算充放电过程中的产热情况

　　式中，右侧第一项为极化热，第二项为反应热，第三项是焦耳热；由于离子在电解液中移动受到的阻抗，第四项和第五项计算为欧姆损耗。分布参数热模型可以通过锂离子电池的电化学模型进行解耦，较为常用的是NEWMAN等提出的多孔电极方法，也被称为P2D模型(Pseudo two dimensionalmodel)。P2D电化学模型是基于第一性原理建立的，仅考虑离子从在电极间的一维传输，其假设每个电极的固体材料是由单一尺寸的球形颗粒构成。电池内部的电流密度可通过Butler-Volmer动力学方程进行计算

　　由于考虑了电池内部各种物理过程，P2D电化学计算精度较高，但是其中涉及的参数较多，计算资源需求巨大。目前已经有大量研究者提出了数学简化，例如多项式近似的多孔电极模型以及采用单个球形颗粒近似多孔电极的单粒子模型(Single particle model, SPM)，这些模型一定程度上提高了仿真的计算效率。此外，BERNARDI等提出了一个简化模型，用以计算电池内部的产热

　　式中，I是电流，平衡电压U和开路电压V的差值表示电池的过电位，I(U−Vcell)计算为不可逆热；ITdU/dT表示可逆的熵热。上述方程中涉及的参数可以根据试验数据确定的经验公式进行拟合：如GU测量了不同放电深度(DOD)下电池电压与电流密度，并根据试验数据确定了电导Y以及平衡电压U与放电深度的依赖关系

　　此外，KARIMI等将式(5)改写为以下形式，并根据试验测量的数据，将电池内阻Ri以及熵变ΔS表示为电池荷电状态(SOC)的函数

　　本节综述了计算循环产热的两种计算模型，而在实际的建模过程中，要根据需求和模拟工况选择合适的计算方法。均匀参数热模型由于忽略电池内部温度分布，多用于小型电池(低Bi数)的循环工况或者关注于整体温度分布的电池模组仿真。而当要精准地预测电池内部的产热以及温度空间分布时，分布参数热模型则是最佳的选择。

　　3 热分解反应模型3.1 反应动力学方程锂离子电池的热失控机制可以从能量平衡的角度进行分析，当电池温度升高到内部化学反应的起始温度时，电池内部的化学组分将会分解并释放热量。一旦电池散热量小于自身产热量，电池内部的温度会持续升高，并进一步导致分解反应速率增加。当达到热失控临界温度后，电池内部的分解反应会瞬间释放大量热量，最终导致热失控事故。

　　热失控过程中，电池内部的反应主要包括SEI膜分解、负极和电解液反应、正极和电解液反应、隔膜融化、电解液分解和粘结剂分解等。SEI膜是第一次循环时在石墨负极表面形成的一层薄膜，当电池温度达到69℃时，SEI膜会发生分解并释放出热量，同时释放出CO2等气体。当温度升高到大约90℃时，由于失去SEI膜的保护，负极中的Li开始与电解液发生反应。随着温度的继续升高，隔膜开始融化，电池将发生内短路。如果温度超过180℃，电池的正极就会发生分解反应，释放大量的热量，同时释放氧气。温度超过180～200℃后，电池内部的电解液及粘结剂会相继发生分解反应，电池温度急剧升高，进而发生燃烧或者爆炸。

　　上述分解反应涉及了电化学和热物理耦合的过程，可以通过Arrhenius公式描述的反应动力学方程进行描述。锂离子电池的热失控动力学模型最先是由HATCHARD等提出的，他们首先建立了锂离子电池一维热失控模型，其中考虑了SEI膜的分解反应、正极分解、负极分解，并确定了反应的动力学参数，该模型的提出为后续锂离子电池热失控的数值研究奠定了基础。

　　之后， KIM等将HATCHARD等的一维模型拓展到三维，首次建立了适用于圆柱形锂离子电池的三维热失控模型，并在数值模型中考虑了由于电解质的分解释放的热量，该模型可以模拟烤箱测试下的锂离子电池热失控行为，以解决电池内部不均匀的温度分布对化学反应放热的影响。

　　GUO 等又提出了适用于方形锂离子电池的三维热失控模型，并在模型中考虑了可逆热和不可逆热，他们将模型预测的温度分布与烤箱测试下的LiFePO4/石墨电池热失控测试结果进行了对比，结果表明该模型可以准确地预测烤箱测试下的电池温度变化。

　　张明轩等建立了三元锂离子电池的针刺热失控模。