为啥电动自行车充电会起火?“这五问”帮你搞懂
来源:中国应急管理报    时间:2021-10-15 17:54:40   浏览:-  
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五问锂离子电池

进入21世纪以来,煤炭和石油等传统不可再生能源的紧缺,且传统不可再生能源导致严重的环境污染促使尽快发展可再生、清洁、高效的新能源体系已经刻不容缓。

可再生的新能源主要包括太阳能、风能、潮汐能、水能和地热能等,这些可再生能源虽然资源丰富且开发成本较低,但同时因其自身间歇性和波动性的特点难以并入电网使用。为了在这些可再生能源过剩时可以储存再利用,大规模发展储能技术是必不可少的。

锂离子电池安全吗?

目前的储能技术主要分为物理储能、化学储能和电磁储能三类。其中化学储能主要包括液流电池、蓄电池、超级电容器等。蓄电池因电压平稳、安全可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富及回收再利用率高等优点,成为目前最成熟可靠的储能技术。

根据使用材料的不同,蓄电池可分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。其中,锂离子电池由于能量密度大、输出电压高、使用寿命长、自放电率低等诸多优点发展迅速,已广泛应用于可再生能源、智能电网、分布式发电、微网系统、新能源汽车、工业节能、应急电源、家庭储能、仓储、物流等领域。《中国制造2025》和工信部《汽车产业中长期发展规划》中都明确将新能源汽车列为我国汽车行业未来重点发展领域和建设汽车强国的突破口。欧盟计划将在2035年停售燃油车,全面向纯电动汽车转型。

随着锂离子电池的大量生产和应用,国内外在储能、仓储、物流领域都发生了不同程度的火灾甚至爆炸事故。

2019年4月,美国亚利桑那州储能站发生爆炸,导致4名消防员受伤,其中2名重伤;2021年4月16日,北京南四环锂电池储能电站发生爆炸,造成2名消防员牺牲、1名消防员受伤;2019年2月,英国最大的生鲜电商奥凯多位于汉普郡的仓库发生火灾,经调查,火灾为仓库内的机器人发生碰撞所致,整体损失预计超4亿美元。

此外,关于纯电动汽车火灾事故的报道也引起了社会的广泛关注,由电动自行车引发的火灾占比也较高。据应急管理部消防救援局2021年7月发布的信息显示,今年以来,全国发生电动车火灾事故6000多起。新能源火灾事故突发性强、燃烧火势蔓延迅速,持续时间长,事故潜在危险性大,伴随有毒气体释放和爆炸危险,且复燃风险高。锂离子电池包一旦发生燃烧,扑救难度大,易引发次生灾害。

锂离子电池有哪些分类?

锂离子电池按照正极材料分类主要包括钴酸锂电池、锰酸锂电池、镍钴锰三元锂电池、磷酸铁锂电池等。目前储能站最常使用的是磷酸铁锂电池,少数国家使用镍钴锰三元锂电池,常用的动力电池主要为镍钴锰三元锂电池和磷酸铁锂电池。

锂离子电池的结构一般由正极、负极、隔膜和电解液组成,此外电池内还包括粘结剂、导电剂、集流体和封装材料等组成部分。锂离子电池隔膜、电解液等材料均属于易燃或可燃材料,容易受热分解,且产生的气体产物易燃烧,从而导致热失控。

随着电动汽车的发展,人们对电动汽车续航里程要求越来越高,要求电池充电速度越来越快,这使得电池中的活性物质含量增大、活性增强,也变相增加了锂离子电池的火灾风险;电池能量密度的增加还增大了锂离子电池释放能量的潜力。

锂离子电池为何会起火?

锂离子电池起火的主要原因是电池热失控,当电池发生热失控时可使电池温度迅速升高到400摄氏度至1000摄氏度,进而发生着火、爆炸等事故。锂离子电池发生热失控的主要原因大致可分为机械滥用、电气滥用、自身缺陷和高温环境。

机械滥用包括碰撞、挤压和穿刺等类型。锂离子电池在使用和储运过程中由于挤压、碰撞、穿刺等外力的作用,电池单体或者电池组可能发生变形,导致电池隔膜破损进而发生内部短路,最终引发起火。在机械滥用中,穿刺伤害最为严重,它是指尖锐的导体刺入电池本体,造成正负极直接短路。穿刺造成电池在穿刺点短路,短路区因短路产生大量的热而形成局部热区,当热区温度超过临界点时将引发热失控,发生冒烟、起火甚至爆炸。碰撞、挤压与穿刺类似,都是造成局部内短路从而可能引起热失控。不同的是,碰撞、挤压只是概率性的发生内短路。相比之下,穿刺过程热量的生成更加剧烈,引发热失控的概率更高。

电气滥用主要包括过充、过放、短路等类型,主要是由于电池使用不当造成的。当电池过充时,正极电压逐渐升高,脱锂过程变得困难,这导致电池的内阻急剧增大,因此产生大量的焦耳热,同时正极氧气释放发出大量的热,温度升高后负极也会与电解液发生放热反应。当一系列的放热反应导致电池内部温度上升到一定程度时,便会发生热失控。电池充电时,锂离子在负极表面沉积形成锂枝晶,锂枝晶易刺穿隔膜,引起正负极短路。在电池过度放电时,电池的电压降低,可能导致负极的铜箔溶解,加速电池失效。短路包括外部短路和内部短路两种类型;外部短路是指锂离子电池正极和负极间不经过负载直接导通,当外部短路发生时,电池产生的热量无法有效地散去,电池温度也会随之上升,高温触发热失控。

自身缺陷主要包括毛刺、杂质、工艺缺陷、不一致性等类型。电池在制作过程中,电池极片周围存在金属毛刺或者极片里混有金属颗粒,在一定条件下毛刺或金属颗粒刺穿隔离膜造成内短路。电池模组或电池包在生产和使用过程中要求锂离子单体保持很好的一致性。当存在生产工艺缺陷或电池管理系统管理缺陷时,会造成锂离子单体不一致性的问题,从而导致电池模组或电池包整体使用过程中出现电池单体的过充和单体间的自放电,加速电池单体的老化,电池性能衰减,最终引发热失控。

高温环境包括受热冲击、散热不良等类型。电池受外热作用以及电池内部生热而电池冷却系统失效的情况下将形成高温环境。高温环境会加速锂离子电池老化,电池性能衰减,导致使用过程中电池发热量增加,出现恶性循环,最终触发热失控。过高的温度还可能直接使电池隔膜材料分解,形成内短路,进而引发热失控。为解决锂离子电池热失控问题,可从提高锂离子电池的本质安全性和加强外部保护两方面进行。从当前的研究热点来看,提高锂离子电池的本质安全性主要集中在开发热稳定性高、能够降低或消除针状金属结晶形成的正极和负极材料,开发耐高温、耐机械力的新型隔膜,开发阻燃电解液,开发产热低的固态电池等。加强外部保护则主要有优化电池制造工艺,严格把关电池出厂前的检测;设置电池监控和保护装置,不断提高电池管理系统管理水平;设置电池散热系统,增强其散热能力等。

如何选购锂离子电池?

对于消费者来说,为避免锂离子电池安全事故,应做好以下几点:

一是在选购锂离子电池及其相关产品时,应选择正规厂家的产品并选用与电池电压、电流匹配的充电器;

二是在给锂离子电池及其相关产品充电时,应根据使用说明正确充电,避免充电时间过长;

三是在保存、移动、使用锂离子电池及其相关产品中,应尽量避免电池受到磕碰、挤压等强外力作用;

四是应避免在高温等环境下存放和使用锂离子电池及其相关产品;

五是勿随意拆卸或解剖电池;

六是勿私自改电动自行车内电气线路,私自更换大容量电池,容易导致电线超负荷、短路等。

锂离子电池火灾如何灭?

关于锂离子电池火灾的灭火,储能站使用较多的灭火介质为七氟丙烷、全氟己酮、细水雾,车载灭火装置使用较多的灭火介质则为干粉和气溶胶。上述灭火介质只对锂离子电池初期火灾有效,且除了水以外均不能阻止锂离子电池复燃。灭锂离子电池火的用水需求量大,扑救时间长,会产生水体污染,一般用于无法扑灭的最后阶段处置。

当遇到锂离子电池火灾时,首先应穿戴好个人防护装备和呼吸防护装备,随后开始灭火。

对于纯电动汽车火灾,注意除了治疗或解救被困人员时可以近距离作业外,灭火和处置应保持在5米外。灭火时,先切断电源,再处在上风处实施灭火,避免吸入有毒烟气。严禁灭火救援过程对车辆结构件和电气部件进行切割、撬拆等,避免发生电击和使电池热失控扩大。控制火势为主,对电池包部位进行持续降温,降低燃爆风险。实时监测电池温度以防止热扩散和复燃。电池电量全部放出之前,车辆残骸宜露天放置,并与周边保持合理的安全距离。车辆残骸宜处于24小时监控范围内,并安排专业人员处理。

对于储能站等仓储锂离子电池火灾,灭火时应先研判火情,当火灾事故处于初期未发生爆炸时,严禁对电池组直接射水,以冷却周边外围控制为主,视情况进行灭火;当锂离子电池已经发生大规模燃烧或爆炸时,要大量用水冷却灭火,严防事故扩大。处置过程要保持与锂离子电池的安全距离并做好防触电保护,不能盲目打开或破拆着火的封闭的锂离子电池存储房间,防止爆炸或轰燃。可实施必要的现场侦检、排烟、抑爆作业,运用无人机等设备开展灭火,减少人员安全风险。

随着技术的进步,新型高能量密度、安全性好的锂离子电池的研发,电池管理系统管理水平的提高,精准、高效、适用、安全的锂离子电池火灾防治技术和装备的研发和应用将是锂离子电池安全未来的发展趋势。