五問鋰離子電池
進入21世紀以來，煤炭和石油等傳統不可再生能源的緊缺，且傳統不可再生能源導致嚴重的環境污染促使盡快發展可再生、清潔、高效的新能源體係已經刻不容緩。
可再生的新能源主要包括太陽能、風能、潮汐能、水能和地熱能等，這些可再生能源雖然資源豐富且開發成本較低，但同時因其自身間歇性和波動性的特點難以並入電網使用。為了在這些可再生能源過剩時可以儲存再利用，大規模發展儲能技術是必不可少的。
鋰離子電池安全嗎？
目前的儲能技術主要分為物理儲能、化學儲能和電磁儲能三類。其中化學儲能主要包括液流電池、蓄電池、超級電容器等。蓄電池因電壓平穩、安全可靠、價格低廉、適用范圍廣、原材料豐富及回收再利用率高等優點，成為目前最成熟可靠的儲能技術。
根據使用材料的不同，蓄電池可分為鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。其中，鋰離子電池由于能量密度大、輸出電壓高、使用壽命長、自放電率低等諸多優點發展迅速，已廣泛應用于可再生能源、智能電網、分布式發電、微網係統、新能源汽車、工業節能、應急電源、家庭儲能、倉儲、物流等領域。《中國制造2025》和工信部《汽車産業中長期發展規劃》中都明確將新能源汽車列為我國汽車行業未來重點發展領域和建設汽車強國的突破口。歐盟計劃將在2035年停售燃油車，全面向純電動汽車轉型。
隨著鋰離子電池的大量生産和應用，國內外在儲能、倉儲、物流領域都發生了不同程度的火災甚至爆炸事故。
2019年4月，美國亞利桑那州儲能站發生爆炸，導致4名消防員受傷，其中2名重傷；2021年4月16日，北京南四環鋰電池儲能電站發生爆炸，造成2名消防員犧牲、1名消防員受傷；2019年2月，英國最大的生鮮電商奧凱多位于漢普郡的倉庫發生火災，經調查，火災為倉庫內的機器人發生碰撞所致，整體損失預計超4億美元。
此外，關于純電動汽車火災事故的報道也引起了社會的廣泛關注，由電動自行車引發的火災佔比也較高。據應急管理部消防救援局2021年7月發布的資訊顯示，今年以來，全國發生電動車火災事故6000多起。新能源火災事故突發性強、燃燒火勢蔓延迅速，持續時間長，事故潛在危險性大，伴隨有毒氣體釋放和爆炸危險，且復燃風險高。鋰離子電池包一旦發生燃燒，撲救難度大，易引發次生災害。
鋰離子電池有哪些分類？
鋰離子電池按照正極材料分類主要包括鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、鎳鈷錳三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池等。目前儲能站最常使用的是磷酸鐵鋰電池，少數國家使用鎳鈷錳三元鋰電池，常用的動力電池主要為鎳鈷錳三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。
鋰離子電池的結構一般由正極、負極、隔膜和電解液組成，此外電池內還包括粘結劑、導電劑、集流體和封裝材料等組成部分。鋰離子電池隔膜、電解液等材料均屬于易燃或可燃材料，容易受熱分解，且産生的氣體産物易燃燒，從而導致熱失控。
隨著電動汽車的發展，人們對電動汽車續航裏程要求越來越高，要求電池充電速度越來越快，這使得電池中的活性物質含量增大、活性增強，也變相增加了鋰離子電池的火災風險；電池能量密度的增加還增大了鋰離子電池釋放能量的潛力。
鋰離子電池為何會起火？
鋰離子電池起火的主要原因是電池熱失控，當電池發生熱失控時可使電池溫度迅速升高到400攝氏度至1000攝氏度，進而發生著火、爆炸等事故。鋰離子電池發生熱失控的主要原因大致可分為機械濫用、電氣濫用、自身缺陷和高溫環境。
機械濫用包括碰撞、擠壓和穿刺等類型。鋰離子電池在使用和儲運過程中由于擠壓、碰撞、穿刺等外力的作用，電池單體或者電池組可能發生變形，導致電池隔膜破損進而發生內部短路，最終引發起火。在機械濫用中，穿刺傷害最為嚴重，它是指尖銳的導體刺入電池本體，造成正負極直接短路。穿刺造成電池在穿刺點短路，短路區因短路産生大量的熱而形成局部熱區，當熱區溫度超過臨界點時將引發熱失控，發生冒煙、起火甚至爆炸。碰撞、擠壓與穿刺類似，都是造成局部內短路從而可能引起熱失控。不同的是，碰撞、擠壓只是概率性的發生內短路。相比之下，穿刺過程熱量的生成更加劇烈，引發熱失控的概率更高。
電氣濫用主要包括過充、過放、短路等類型，主要是由于電池使用不當造成的。當電池過充時，正極電壓逐漸升高，脫鋰過程變得困難，這導致電池的內阻急劇增大，因此産生大量的焦耳熱，同時正極氧氣釋放發出大量的熱，溫度升高後負極也會與電解液發生放熱反應。當一係列的放熱反應導致電池內部溫度上升到一定程度時，便會發生熱失控。電池充電時，鋰離子在負極表面沉積形成鋰枝晶，鋰枝晶易刺穿隔膜，引起正負極短路。在電池過度放電時，電池的電壓降低，可能導致負極的銅箔溶解，加速電池失效。短路包括外部短路和內部短路兩種類型；外部短路是指鋰離子電池正極和負極間不經過負載直接導通，當外部短路發生時，電池産生的熱量無法有效地散去，電池溫度也會隨之上升，高溫觸發熱失控。
自身缺陷主要包括毛刺、雜質、工藝缺陷、不一致性等類型。電池在制作過程中，電池極片周圍存在金屬毛刺或者極片裏混有金屬顆粒，在一定條件下毛刺或金屬顆粒刺穿隔離膜造成內短路。電池模組或電池包在生産和使用過程中要求鋰離子單體保持很好的一致性。當存在生産工藝缺陷或電池管理係統管理缺陷時，會造成鋰離子單體不一致性的問題，從而導致電池模組或電池包整體使用過程中出現電池單體的過充和單體間的自放電，加速電池單體的老化，電池性能衰減，最終引發熱失控。
高溫環境包括受熱衝擊、散熱不良等類型。電池受外熱作用以及電池內部生熱而電池冷卻係統失效的情況下將形成高溫環境。高溫環境會加速鋰離子電池老化，電池性能衰減，導致使用過程中電池發熱量增加，出現惡性迴圈，最終觸發熱失控。過高的溫度還可能直接使電池隔膜材料分解，形成內短路，進而引發熱失控。為解決鋰離子電池熱失控問題，可從提高鋰離子電池的本質安全性和加強外部保護兩方面進行。從當前的研究熱點來看，提高鋰離子電池的本質安全性主要集中在開發熱穩定性高、能夠降低或消除針狀金屬結晶形成的正極和負極材料，開發耐高溫、耐機械力的新型隔膜，開發阻燃電解液，開發産熱低的固態電池等。加強外部保護則主要有優化電池制造工藝，嚴格把關電池出廠前的檢測；設置電池監控和保護裝置，不斷提高電池管理係統管理水準；設置電池散熱係統，增強其散熱能力等。
如何選購鋰離子電池？
對于消費者來説，為避免鋰離子電池安全事故，應做好以下幾點：
一是在選購鋰離子電池及其相關産品時，應選擇正規廠家的産品並選用與電池電壓、電流匹配的充電器；
二是在給鋰離子電池及其相關産品充電時，應根據使用説明正確充電，避免充電時間過長；
三是在保存、移動、使用鋰離子電池及其相關産品中，應盡量避免電池受到磕碰、擠壓等強外力作用；
四是應避免在高溫等環境下存放和使用鋰離子電池及其相關産品；
五是勿隨意拆卸或解剖電池；
六是勿私自改電動自行車內電氣線路，私自更換大容量電池，容易導致電線超負荷、短路等。
鋰離子電池火災如何滅？
關于鋰離子電池火災的滅火，儲能站使用較多的滅火介質為七氟丙烷、全氟己酮、細水霧，車載滅火裝置使用較多的滅火介質則為幹粉和氣溶膠。上述滅火介質只對鋰離子電池初期火災有效，且除了水以外均不能阻止鋰離子電池復燃。滅鋰離子電池火的用水需求量大，撲救時間長，會産生水體污染，一般用于無法撲滅的最後階段處置。
當遇到鋰離子電池火災時，首先應穿戴好個人防護裝備和呼吸防護裝備，隨後開始滅火。
對于純電動汽車火災，注意除了治療或解救被困人員時可以近距離作業外，滅火和處置應保持在5米外。滅火時，先切斷電源，再處在上風處實施滅火，避免吸入有毒煙氣。嚴禁滅火救援過程對車輛結構件和電氣部件進行切割、撬拆等，避免發生電擊和使電池熱失控擴大。控制火勢為主，對電池包部位進行持續降溫，降低燃爆風險。實時監測電池溫度以防止熱擴散和復燃。電池電量全部放出之前，車輛殘骸宜露天放置，並與周邊保持合理的安全距離。車輛殘骸宜處于24小時監控范圍內，並安排專業人員處理。
對于儲能站等倉儲鋰離子電池火災，滅火時應先研判火情，當火災事故處于初期未發生爆炸時，嚴禁對電池組直接射水，以冷卻周邊週邊控制為主，視情況進行滅火；當鋰離子電池已經發生大規模燃燒或爆炸時，要大量用水冷卻滅火，嚴防事故擴大。處置過程要保持與鋰離子電池的安全距離並做好防觸電保護，不能盲目打開或破拆著火的封閉的鋰離子電池存儲房間，防止爆炸或轟燃。可實施必要的現場偵檢、排煙、抑爆作業，運用無人機等設備開展滅火，減少人員安全風險。
隨著技術的進步，新型高能量密度、安全性好的鋰離子電池的研發，電池管理係統管理水準的提高，精準、高效、適用、安全的鋰離子電池火災防治技術和裝備的研發和應用將是鋰離子電池安全未來的發展趨勢。（張怡 王立芬 袁博 作者單位：應急管理部四川消防研究所）
