锂电池火灾成因及其火灾特点研究

黄典博

摘要:通过引入几起使用锂电池的新能源产品火灾案例，概述锂电池的工作原理、内部结构、使用范围和当前主要使用的产品类型，对当前锂电池火灾原因进行初步探讨，着重分析了锂电池热失控的几个主要诱因，并就锂电池火灾特点和处置措施进行简要说明。

关键词：锂电池；热失控；诱因

引言

三星手机Note7在上市发布之初，各地接连爆出手机起火爆炸事件，迫于舆论压力，2017年1月发出通告指出是由于电池原因所导致，该事件一度在国际上引起很大轰动；2019年广西桂林雁山区“5.5”民房火灾造成5人死亡和数十人不同程度受伤，火灾原因为电动自行车电气故障；2021年4月，广州增城区东江大道北一辆特斯拉电动车由于失控发生交通事故导致车辆损毁并发生火灾，事故造成一名男乘客当场死亡。在国际社会尤其是科技发达国家都在争相夺取新能源科技制高点的趋势下，动力锂电池作为当前大量普及应用并大有颠覆时代的新能源产品，由于在对锂电池性能、设计的创新和探索过程中由于缺少成熟的实践经验和足够的市场考验，加上普通老百姓对锂电池的系统原理和操作使用注意事项的不熟悉，使得锂电池这种新能源产品频繁发生火灾事故并造成较大社会舆论。

1 锂电池简介

本文中所讲的锂电池指的是锂离子电池，其构造材料主要有电解液、隔膜和正、负极材料。锂电池的工作原理就是依靠锂离子穿过电解液和隔膜在正、负极材料之间形成储存和放电的过程。新型锂电池具有存储电量高、工作时间长、循环充电次数多、充电速度快等优点，在智能科技电子产品、家用电器和电动汽车等领域得到广泛运用。为提升锂电池的电子导电率，避免电极附近锂金属析出造成短路，通常加入炭黑、碳纤维、石墨烯、碳纳米管等辅材作为导电剂，可以提升锂电池中电子传输速度达到快速移动归位，提高锂电池充放电速度和循环充电次数。当前热度较高的特斯拉、比亚迪、蔚来汽车等新能源电动车上使用的锂电池，主要有磷酸铁锂电池、锰酸锂电池以及三元锂电池三种。其中磷酸铁锂电池在性能稳定性和循环使用次数方面表现较为突出，但电量存储能力方面不如三元锂电池，在当前各类科技产品追求精细、超薄、高效的趋势下成为制约其称霸市场的重要因素；三元锂电池能量密度比高的特性一度让其成为市场的宠儿和未来之星，但是电池稳定性较差和成本较高的缺点令其在车用方面受到很大限制，一度成为热搜的特斯拉电动车火灾爆炸事故基本上使用的都是三元锂电池； 锰酸锂电池价格较低，功率、循环寿命和安全性方面表现一般，但随着新技术的创新运用，新型锰酸锂电池的各项功能得到较大提升。

2 锂电池火灾原因分析

随着智能科技电子产品的蓬勃发展，锂电池的使用越来越普遍，锂电池的安全性能成为影响其综合评价的重点。而锂电池之所以会发生起火爆炸，主要原因是在锂电池这个封闭的环境内同时含有氧化剂和还原剂，它在小小的系统内部进行充电和放电就能产生动力，不像传统汽车发动机或燃料电池需要加入空气和燃料才能进行燃烧产生能量，而且由于锂电池在电的产生和使用过程中都容易形成短路或电池结构损坏，产生的热量不能得到及时释放和冷却，造成锂电池及其产品发生火灾

并激烈燃烧爆炸时有发生。热失控是造成锂电池火灾根本原因，而热失控主要由电化学诱因、热诱因和机械电气诱因中的一种或多种同时作用引发一系列连锁反应，产生的热量可使电池组内部温度升高数百甚至上千摄氏度，从而引发火灾。锂电池火灾其实是由于电芯内发生链式反应导致热失控，最初是覆盖在电极上的隔膜和电芯正负极之间分隔的隔膜受到破坏，使负极、正极材料相继与电解液中的化学物质发生发应并分解，导致锂电池电芯不断形成短路、隔膜损坏、再短路的恶性循环，同时产生大量的能量引发电解液燃烧，燃烧产生更大的热量通过热传递和热辐射等途径蔓延到临近的电芯，导致锂电池整体形成热失控直至燃烧爆炸^[1]。下面本人就引起热失控的电化学诱因、热诱因和机械电气诱因这三类诱因进行简单介绍：

2.1 电化学诱因

2.1.1电池浸水引发自燃和爆炸也可归纳为电化学诱因

当锂电池浸水后由于渗入电池包的水会发生电解水反应，生成的气体能引起电路不停的通电断电，不稳定电流尤其是突然的大电流很容易产生电弧，电弧的瞬间高温不仅可以引燃电解液也可以导致电池壳体的熔化，从而引发锂电池的热失控。2012年美国一辆菲斯克电动汽车在飓风桑迪由于泡水引起自燃，以及2018年在广州的一辆力帆650EV电动汽车在泡过水后行驶中自燃，这两起电动车自燃火灾都是电化学诱因导致的火灾案例^[2]。另外在日常使用中，若锂电池内含有过量的水分，渗入电芯中的水分和电解液发生化学反应，电池内部系统平衡遭到破坏，使电池的电压和容量发生改变，在反复的充放电短路和一系列化学反应后形成热失控。

2.1.2锂电池过充放电

过充放电是导致锂电池发生火灾极为常见且危害极大的一个原因。无论是国外的特斯拉、保时捷还是国产众泰、比亚迪等电动车都曾发生过充电起火事件。当锂电池过充电时，负极石墨的间层结构没有足够的容量接收充电时所产生的锂离子，导致在负极的表面析出“枝晶”，当“枝晶”越积越多，体积越来越大，达到一定长度后会刺穿分隔电芯内正负极的隔膜纸，正负极间的化学物质直接接触就产生短路，继而形成链式反应生成大量气体和高温，突破电芯的外壳形成火灾，这就是锂电池过充放电引起的热失控

^[3]。锂电池过充电导致火灾的案例有：2018年7月深圳一辆陆地方舟纯电动物流车在充电时发生火灾，虽然刚冒烟时就有现场充电工发现并按流程进行处置，由于车辆燃烧迅速且起火部位是内部封闭的电池组，无法采取有效措施第一时间扑灭火势，等消防车辆到达现场时车辆已被烧毁；2018年3月泰国曼谷一辆保时捷电动车在充电时发生火灾，火灾最终导致住宅也受到损毁。随着科技的不断创新发展，各种智能科技的运用应接不暇，但是由于对复杂条件下可能存在的隐患的预见性不足，加上设计、加工缺陷和操作失误，也使锂电池使用领域火灾事故时有发生。2016年一辆特斯拉在充电时由于当地气温过低的使得智能充电系统错误估算了锂电池的电量状态，在实际电量饱和的情况下未及时断电导致过充电，引发了火灾。

2.1.3锂电池内部短路

锂电池内部短路除了前面介绍过的电池浸水以及过充电引发的短路，还有一些由于设计、制造以及其他环境因素导致的短路，在锂电池内部发生短路后造成热失控的原理几乎都是相似的。一旦锂电池电芯发生短路，电芯就会发生大电流放电同时产生过多的热量，引起隔膜熔化，破坏电芯内部结构和一系列连锁反应并加大短路现象，电芯不断产生的高温和生成的大量气体超过电芯的外壳所能承受的压力时，就会发生结构损坏和火灾蔓延^[4]。
2.2 热诱因

热诱因是导致热失控的直接原因，也是其他几种诱因产生后都会经过的一个阶段。热诱因包括使用不当、操作失误或者设计缺陷等原因造成的外部短路，电池突然放出过大电流导致电芯内部系统失衡从而产生发热现象，大量的热量形成高温会使破坏锂电池正负极之间的隔膜，导致隔膜无法有效隔离正负极之间的电解液等物质，造成锂电池内部短路，在一系列的链式反应后形成火灾事故。类似案例有2008年美国公司CEPCI没有按照电芯制造商A123的使用规则进行操作，自行将锂电池加入新购置的一辆丰田普锐斯中进行改装，热控芯片在车辆行驶中不能有效发挥监测提醒和自动冷却作用，最终导致热失控引发火灾。另外高温环境也可导致锂电池热失控，例如夏天停放在室外的汽车在烈日的烘烤下，封闭的车内温度最高可达到150℃，在如此高温环境下，锂电池内部可能出现负极SEI膜的溶解开始产生自生热和一些耐高温性能较差的隔膜局部融化收缩引起短路直至发生火灾^[3]。

2.3 机械电气诱因

锂电池电解液在没有加入阻燃剂（正规生产的锂电池电解液中均会加入阻燃剂，确保产品在正常使用的安全性）的情况下燃点约130℃，含有电芯绝大部分的可燃、易燃物质。除了电化学诱因和热诱因之外，在正常使用情况下锂电池能够保持较好的性能稳定性，但是机械电气诱因也会使锂电池发生热失控。机械电气诱因就是由于金属器械穿刺破坏锂电池内部结构造成电池短路或者撞击产生强大外力导致锂电池内部隔膜损坏形成电池内短路，进而通过锂电池内部一系列链式反应造成热失控，热失控可以在瞬间将周围温度提升到300℃以上。2013年10月一辆特斯拉Model S在高速行驶中底盘受到碰撞，造成锂电池隔膜受损形成内短路，幸好特斯拉Model S安全系统及时向车主发出警告，大约20分钟后这辆特斯拉Model S就发生起火，在发出警告后车上人员及时撤离才幸免于难。当时正值特斯拉电动汽车火爆全球，这一事件也成为“特斯拉第一烧”受到全球各大媒体的高度关注和大幅报道，世界舆论一度令特斯拉股价下跌6%。

3 锂电池火灾事故特点

锂电池火灾是随着科学技术的快速发展和运用过程中产生的新类型火灾，其火灾特点与其他传统类型火灾有很多不同之处。一是火灾突发性强，火势发展迅速，燃烧猛烈，等到消防队抵达火灾现场往往已无法挽救；二是生产存储锂电池的场所发生火灾时，由于锂电池的热失控很容易造成火势蔓延，火场产生大量浓烟和热辐射，消防人员难以靠近侦察和处置；三是火灾扑救技术要求高，目前并无特别有效的灭火药剂来扑救锂电池火灾，锂电池火灾产生的大量有毒气体和爆炸危险时刻威胁着消防救援人员的自身安全；四是锂电池火灾存在复燃风险，电芯内隔膜受到破坏后能在封闭环境内继续发生链式反应形成火灾，明火扑灭后也需要长时间射水冷却，然而锂电池浸水又可能发生电解水反应形成热失控，这给消防救援人员在处置锂电池火灾时带来很大的难题^[4]。

消防救援局在2016年底发布的《新能源汽车火灾扑救规程》和《锂电池生产仓储使用场所火灾扑救安全要点》中，针对新能源汽车火灾、锂电池生产仓储使用场所火灾从接警出动、力量调集到风险评估、现场管控、安全防护、处置措施、注意事项、现场移交等全过程制定了的详细操作规程，在本文中不再累述。

4结论

随着国家针对锂电池安全方面相关标准规范的不断完善和出台，各相关企业对锂电池生产工艺的不断创新和升级，锂电池的使用也越加广泛和安全，加上各种新能源技术的开发和更新换代，相信当前锂电池在应用领域存在的火灾问题终将会迎刃而解。

参考文献：

［1］王鹏.动力锂电池火灾起火特征初探［J］.消防科学与技术, 2019,4.

［2］张磊.电动汽车锂电池火灾特性及灭火技术.劳动保护.2019-05

［3］许丹.动力锂电池热灾害致灾机理及防控方法探讨分析.中国消防协会科学技术年会论文集.2014.

［4］何宁.锂电池火灾特点及处置对策［J］.消防科学与技术, 2016,11.