锂离子电池火灾事故原因分析及解决对策

谢振岳

（静安区消防救援支队，上海 200000）

1 电池结构组成及工作原理

1.1 电池结构组成

在锂离子电池中，其内部的结构主要包括以下几个部分：①正极板。正极板是一种由石墨化得到的薄片，其表面具有一层致密的氧化膜，能够有效地防止锂离子电池的电解液发生化学反应，从而保证了电池的安全运行。②负极衬胶层。负极衬胶层的作用是阻止放电时电极和材料之间的界面反应，同时起到保护的效果；而当电池的容量达到一定值时，就会对电池进行循环充电，这样就可以延长了二次使用的时间；③外壳。负极的壳体通常情况下都是由碳钢或者铝合金等制造的用来支撑的；④隔膜。隔膜的存在使得锂离子在充电器的工作环境更加良好和稳定，也能让设备的安全性得到保障。但是由于现在的隔膜技术还不够成熟，所以还需要进一步地改进才能满足实际的需求。

1.2 电池工作原理

在电池充放电过程中，通过氧化、还原作用使正负极材料脱嵌并嵌入到正负电极材料中，通过电解液在正负电极材料中自由流通，把正、负两种活性材料的化学能量转换成电能。例如，在钴酸锂的阳极处，CO3+和 Li+分别处于一个四边形密集的八面体中。在带电过程中，Li+在正八面体的位点出现了脱嵌，Li+穿过膜片埋入到负极中，同时释放一个电子，CO3+还原为 CO4+，负极处于富锂状态；在放电过程中，Li+从负极离嵌，通过 Li+穿过隔板，插入到正八面体中，形成一个电子，CO4+还原为 CO3+，而正极则处于富锂态。在锂离子蓄电池的充电和放电期间，Li+在电池的正、负电极上前后运动。电池的充放电反应式为公式（1）式（3）。

2 影响锂电池火灾的因素

2.1 过充对锂离子电池的影响

过充是指电池在正常的工作状态下不能够充满整个储存的能量而进行的充电过程。锂离子电池的使用寿命主要受其内部温度、化学稳定性和循环性能等因素的影响。而当锂离子电池的容量达到了一定的数值时，就会导致其失活。当锂离子电池的容量到达了极限时，就会对其造成严重的损坏甚至爆炸。在实际生产中，过充可能会使一些有毒的物质进入到电解液中，从而对产品的质量产生不良的影响。或者是因为过度放电引起的短路，使得电解液的导电性变差，最终被烧毁。所以，为了避免这些危险情况的出现就要尽量减少对锂离子电池过充的现象，以延长它们的生命周期或使它的安全性极大提高。

2.2 短路对锂离子的影响

2.2.1 锂枝晶

在锂电池过度充电、充放电循环中，锂离子在负电极上的沉淀不均，易于形成树枝状晶体，这时，由于锂枝晶的大量生成，树枝状晶体的断裂导致“死锂”，从而使锂发生不可逆性的变化。由于锋利的树枝晶体穿过薄膜，导致正、负电极之间的短路和自放电，从而导致锂电池的发热和燃烧。由于过多的充放电导致了锂离子电池的过热，电极上的针状物会导致电极产生微小的短路，而随着电池的升温，电解液蒸发，电池组内压力上升，导致电池中的氧化，从而导致电池起火。

2.2.2 外界撞击

外部撞击主要是指锂离子电池在受到外界因素的影响下，电池自身的温度、湿度、电解液的浓度等都会对其造成一定程度的破坏作用。①在外界环境中，锂离子电池的内部结构是非常复杂的；其中包含了多个铁氧体，且这些铁氧体的存在使得其容易被氧化，从而导致其出现腐蚀现象。而当发生这种情况的时候就需要相关人员及时地进行处理，以免对设备和电路的正常运行带来不利的影响。②在外界的环境影响下，锂离子电池的工作状态也会产生改变，比如，当太阳光照射到时，会直接与氧气接触，使催化剂的活性降低，催化反应速度下降，甚至可能引发燃烧或者爆炸的问题。③当外界的空气中的含水量过多，就极有可能发生爆炸的危险；而如果含水的比例过大，则易引起火灾。所以说，对于外部的冲击性的防护要加强，防止火灾的扩大化。

2.2.3 隔膜缺陷

隔膜是一种在环境中能与空气隔绝的装置和材料，其作用是将外界的污染物质隔离。隔膜的好坏直接影响电池的使用寿命，所以在生产过程中要重视电池的隔膜问题。首先，在设计锂离子电池时，要考虑到电池的容量、温度等因素，并根据实际情况来选择合适的器件。其次，还要保证隔膜的厚度和密度，使其能够满足循环的要求。最后，为了避免漏电，应该将绝缘层的厚度控制在3~5mm以内。另外，还可以通过对电路板的合理改造，使其更加地美观，提高耐腐蚀性，从而延长了使用期限。

3 电池火灾危险性

高温：因锂的活动及电解质的可燃性，导致蓄电池着火时会释放出较多的热，特别是当蓄电池充满时，会引起大火。

中毒：电解液主要成分是六氟磷酸锂，一旦接触到大气或受热，便会被水蒸气所分解，释放出五氟化磷。五氟化磷是一种对皮肤和黏膜有强烈刺激作用的无色、难闻的有害气体，在湿度较大的环境中，会发生强烈的分解反应，产生有毒、腐蚀性的氟化物。

爆炸：通常是由于内部和外部原因导致的电池材料爆炸，导致了大量的排气口破裂或者破损，在短期内形成高温和压力，导致电池外壳膨胀、破裂甚至爆炸；断裂的壳体还会引起氧的涌入，使聚于阴极处的锂分子发生强烈的化学反应而发生爆炸。

4 事故处置

4.1 现场询情

现场的信息收集是整个研究过程中的重要环节，首先，要了解相关的法律法规，并在与工作人员沟通的基础上，确定了本次调研的目的及方向。其次，要掌握现场的情况以及可能出现的突发事件，如火灾事故发生后，消防车的运行状态，是否有漏电现象，如果发现了火灾，就要立即通知维修部门，及时进行处理。同时也要注意周围的天气状况，尽量避免在恶劣的气候条件下工作，以免造成不必要的损失和人员伤亡。最后，对于一些特殊的工种，比如说加气站的员工应戴安全帽，并做好相应的防护措施。

4.2 警戒疏散

火灾报警系统是一种能够及时、准确地对火灾情况做出判断并向用户提供相应的信息和警报的装置和设备。它可以通过对现场的温度、湿度等环境参数进行检测，并根据相关的数据来确定是否有必要发出声音或灯光提醒。当发生火灾时，其内部的烟雾浓度会迅速升高，当达到一定值时，就会引起人员的恐慌或者窒息。因此，在设计锂离子电池组的安全预警系统时应该充分考虑到可能出现的危险因素，并且要尽可能地使整个体系的安全性都能得到有效的保障；另外，还必须保证应急的反应时间，避免因为突发事件而导致的误报。

4.3 安全防护

安全防护主要包括以下几方面：①防火墙的设置，在进行安全防护时，应尽量使用耐火极限比较高的墙体材料，以避免在高温和高辐射的环境中对设备的损坏。同时，还应注意对员工的疏散通道、出口的位置及方位等采取相应的保护措施。②防雷击的装置和接地的设计，当雷击引发的火灾时，可采用的防雷电的方法有3种：一是利用避雷针或排下线将接地通路与外界直接相连，从而达到降低感应电流的目的；另一种则是通过避雷器将接地线与大地连接起来，使其成为导电回路，起到隔离的作用；第三种则为外部电源的线路可以作为引线，或者安装在配电室的附近或屋顶上，以提高其稳定性。

4.4 火情侦察

火情是指燃烧时，空气中的氧含量和可燃物浓度之间的关系所形成的一种状态。燃烧会生成二氧化碳、二氧化硫等有毒有害物质。火灾现场的人员一般是在室外进行，所以要对其采取一定的措施来防止火势的蔓延与扩散。针对锂电池企业或蓄能器发生火灾时，采用特殊的泄漏探测仪、热成像仪、红外测温仪和有毒可燃气体探测仪。针对电动车发生的交通意外，使用特殊的泄漏探测器、热成像仪、红外测温仪等检测出蓄电池的电压和温度，并与某品牌的维修工程师取得联系，获取有关的救援指导。

4.5 灭火救援

4.5.1 灭火药剂选择

锂离子电池使用的是一种由金属锂组成的复合体，其自身并不含有金属锂，所以使用大量的水来救火，是一种较为稳妥的方法，因为锂电池的化学反应会不断地产生大量的热量，所以使用干粉灭火后，容易复燃。在被燃气灭火剂、干粉或泡沫包裹的情况下，电池内仍然会产生化学作用，并释放出大量的热能，引发再燃烧，唯一的办法就是通过不断地给水降温，对着火的电池进行灭火。

4.5.2 警惕爆炸发生

企业应在日常生产中加强对锂离子电池的管理和维护，并在产品的设计、制造、使用等环节中严格把控，确保安全。同时应配备专业的检测设备，及时发现隐患，防止事故的发生和扩大。在实际的操作过程中，必须遵循以下几个基本原则：①科学合理地规划充电路线，使其充放电处于最佳状态，从而最大程度地抑制起火的可能性。②对于不经常更换的充电线，应该选择合适的线路以延长电池的寿命或者缩短其用时。③为了保障火灾的预防性，还需要注意的是，在每次的检修期间都需安排工作人员轮流值班，以方便工作人员的维修与保养。

4.5.3 电动车事故救援

根据事故现场情况，合理划定作业区和工作区。作业区域应设置在事故车辆周围5m以内，仅有急救和营救工作的工作人员可进入。工作区域应设置在参加救护工作的人员的周围10m以内。在停电处理过程中，应在专家的协助下，佩戴等级不少于1的隔离手套，将维护或切断电源的电源从电源插座中拔出（拉）出来，并将电动汽车的钥匙插入到一个信号保护包中或者放在10m之外的地方。当车身出现了一定的畸变时，应该选用能够侦测到直流电流的漏电流，采用1 000V的万用表对高、低压线路进行测量，然后利用绝缘剪刀切断线路。确定停电后，配合医护人员进行紧急抢救，维持病人的生命迹象，并建立抢救的通道。当汽车发生火灾时，应采取喷洒或喷洒水剂来冷却火灾区域，严禁用直流水射水溅向电池箱体。

4.5.4 防范复燃复爆

要合理设计与改进锂离子电池，以提高其安全性能，在实际的生产过程中，可以根据不同的情况来制定相应的方案和措施。比如说，当电池的容量达到了一定的要求时，就应该及时更换充电电源或替换掉老化电池，以防止发生复燃复爆的危险。当电池的存储环境发生改变，导致其无法满足储存需求时可以采用抽空的方式防止外界干扰；当出现突发的故障时，应对电池放电时间做出调整，以保证下次正常工作。还应当加强对锂离子的管理和维修。对于那些已经损坏的设备或部件，要定期地检查并修理，避免再次被腐蚀。同时还要做好日常的维护保养，以防意外事故的发生而影响到整个企业的运行状况。

5 结束语

通过研究可以发现，锂离子电池的发展前景是非常可观的。随着人们对安全意识的增强和对环境友好型的追求以及国家政策的支持与鼓励，我国在锂离子电池的研制方面取得了很大的进步与突破，但相比于一些发达国家，仍然还有较大的差距；因此，针对目前国内的现状提出几点建议，希望能为相关企业在今后的生产中提供一定的参考价值。首先，要提高锂离子电池的安全性问题，必须有一套完善的检测系统来保证其可靠性和使用寿命。其次就是要加强充电控制，采用多种方法进行管理，比如：延长充放的时间、设置自动报警装置等。最后，还应该加大研发的资金投入，开发新的技术来代替传统的人工操作，从而降低成本，使其能够更好地发挥作用。