国家消防救援局于11月22日(星期五)上午10时举行例行新闻发布会,介绍近期消防安全形势和当前消防救援工作。国家消防救援局新闻发言人孙毅军主持,办公室高级指挥长王玮、森林草原灭火和航空救援司一级指挥长马玉春、消防监督司一级指挥长王天瑞出席,并答记者问。
其中关于新能源安全的问题,国家消防救援局提到了目前新能源火灾的两点矛盾:
第一,锂电池的热失控不可避免。
第二,灭火救援的难题还没有有效解决。
其实说的就是,锂电池一旦发生热失控就不可逆转,无法扑灭,只能不断反应放热,直至结束。
这是由锂电池的化学特性决定的。
内部反应的复杂性与不可逆性
链式反应机制:锂电池热失控是一个复杂的链式反应过程。当电池内部温度升高到一定程度,会导致固体电解质界面膜(SEI 膜)分解,接着负极与电解液发生反应,正极也与电解液反应,电解液自身也会分解,这些反应都会释放出大量的热量和气体,进一步推动温度上升,形成恶性循环,使得反应一旦启动就难以停止。
能量释放的累积与爆发:锂电池在正常充放电过程中,有限的体积内储存了大量的能量。热失控发生时,这些原本稳定储存的化学能会迅速转化为热能释放出来,而且由于反应的不可逆性,能量会持续不断地释放,导致温度急剧上升,直至电池内部的化学物质消耗殆尽或外部条件强行终止反应。
内部短路的影响
物理结构破坏:机械滥用如刺穿、挤压等外力作用,容易使电池内部的隔膜被破坏,导致正负极直接接触,形成内部短路。短路会导致电流激增,产生大量热量,进而引发电池热失控。这种热失控过程会迅速扩散,使得火势难以控制。
枝晶生长问题:过度充电或电池老化等情况,会使锂离子在负极表面不均匀沉积,形成锂枝晶。锂枝晶生长到一定程度可能会刺穿隔膜,同样造成正负极短路,进而引发热失控,而且这种短路一旦发生,很难通过外部手段及时修复,使得热失控难以逆转。
电解液的可燃与流动性
低闪点与高挥发性:锂电池中的电解液通常是由有机溶剂和锂盐组成,这些有机溶剂具有较低的闪点和较高的挥发性,在热失控过程中,温度升高会使电解液迅速挥发成易燃气体,与空气混合后形成爆炸性混合物,一旦遇到火源就会剧烈燃烧,加剧热失控的程度。
流动性导致火势蔓延:液态的电解液在电池内部具有良好的流动性,当电池发生热失控时,电解液可能会从电池内部泄漏出来,流向周围的区域,不仅会扩大燃烧的范围,还会使火焰难以集中扑灭,进一步增加了灭火的难度。
氧气供应
内部氧释放:部分锂电池的正极材料在高温下会释放出氧气,如一些含锂的氧化物正极材料。在热失控过程中,这些内部释放的氧气会为燃烧反应提供充足的氧化剂,支持燃烧持续进行,即使在外部氧气供应有限的情况下,也能维持火势,使得热失控难以被遏制。
空气对流补充氧气:即使电池内部的氧气释放有限,但在开放环境中,热失控产生的高温会引起周围空气的对流,不断为燃烧区域补充新鲜空气,提供氧气,从而使燃烧持续进行,难以熄灭。
电池结构与散热的局限性
密封结构:为了保证电池的性能和安全性,锂电池通常采用密封结构,这虽然可以防止电解液泄漏和外部杂质进入,但在热失控发生时,密封结构却会阻碍热量的快速散发,使得热量在电池内部积聚,加速反应的进行。
散热设计不足:尽管一些锂电池配备了散热系统,但在某些极端情况下,如长时间的高温环境、高倍率充放电或散热系统故障等,散热能力可能无法满足电池散热的需求,导致电池温度持续上升,最终引发热失控。而且一旦热失控发生,散热系统往往也难以在短时间内将大量释放的热量散发出去,无法阻止反应的继续进行。
灭火难度大
用水灭火:虽然水在某些情况下比如只是电芯起火可以用于扑灭锂电池火灾,但如果是大型电池组或模组起火,水可能会导致电池外短路,产生大电流和大量热量,反而加剧火势。
比如之前的海南某市一70MW农光互补型光伏储能电站磷酸铁锂电池预制舱发生火灾,一共使用了2000立方米的消防水24小时的不间断用水才将火灾控制住,也仅仅是控制住,火焰熄灭是因为烧无可烧。而且灭火后的水混着七氟丙烷一起流入地下,对整个周边的地下水安全,环境带来的都是不可逆的破坏。
也有可能进行消防水沉浸式全淹没,但着火的模组如何取出是个大问题,目前还没有特别好的方法,这对灭火人员的安全有很大威胁,如果使用机器人等智能手段也许会有效果,但对智能技术和火情的判断要求很高。
特殊灭火剂:对于大型锂电池火灾,需要使用不导电、能迅速灭火且能对电池降温的特殊灭火药剂。比如七氟丙烷可以扑灭明火,也无法对锂电池降温和中止热失控反应,仍会复燃。这种灭火剂并不普及,而且这与消防系统对起火点进行精准降温抑制的消防设计也有关。
个人防护要求高:锂电池起火时会产生有毒烟雾和高温,灭火人员需要佩戴专业的防护装备,如防烟面罩、耐高温手套等。这增加了灭火的复杂性和风险。
所以电池锂电池热失控一旦发生,不可逆转。
鉴于此,我们必须高度重视锂电池产品的质量安全。在锂电池的生产、运输以及使用等各个环节,都要严格把控质量关,以此来最大程度地减少因电池自身缺陷而引发热失控的可能性。
然而,仅仅保证产品质量还远远不够,我们还需要将锂电池热失控的危险性控制在最小范围。
这就要求我们积极开展对锂电池热失控的测试工作。通过模拟各种极端环境和异常工况,如高温、过充、挤压等情况,来观察锂电池在这些条件下的反应,精准检测其是否会出现热失控的迹象,以及热失控发生时的具体表现,如温度上升速率、气体释放量等关键指标。依据这些测试结果,进一步优化锂电池的设计、改进生产工艺、完善安全防护措施,从而实现对锂电池热失控危险性的有效管控,保障锂电池在各个应用场景中的安全可靠使用。
整理:华慧检测
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