新型动力船舶锂电池火灾爆炸预防策略

摘要：随着对环保和能源效率要求的提高，船舶行业积极探索新型动力解决方案，如动力电池等。锂电池作为动力船舶的主要能源，因高能量密度和长寿命特性而受到广泛应用。然而，锂电池火灾和爆炸的风险对船舶及人员安全构成严重威胁。因此，针对新型动力船舶锂电池火灾爆炸的危害，分析其原因并提出了相应的预防策略，如选用稳定性更高的锂电池和采用更安全的材料和更合理的结构，建立严格的操作规程和配备高效的电池管理系统等。希望有助于降低锂电池火灾与爆炸的风险，确保船舶和人员的安全。

关键词：新型动力船舶；锂电池；火灾爆炸

中图分类号：X928.7 文献标识码：A 文章编号：2096-1227（2024）06-0085-03

当前，船舶行业正在积极探索新型动力解决方案，广泛利用新型能源技术，如风能、太阳能、动力电池等，以实现多元化的动力供应。这些新技术的应用使得船舶的动力系统更加灵活多样，同时也提高了船舶的能源利用效率。

动力电池主要有铅酸电池、锌银电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池等几种类型。锌银电池由于用银量多、价格贵、寿命短，没有大量推广应用；镍氢电池在中国近十年来也投入大量人力物力开发，但距实用化的动力应用还有一定距离。目前主流动力电池主要是铅酸、锂离子和燃料电池[1]。其中锂离子电池以其高能量密度和环保特性成为主流选择，成为众多设备和车辆的首选动力源。然而锂电池也存在火灾和爆炸的风险，这些风险可能由过热、短路或机械损伤引起，严重威胁船舶安全和船员健康。因此，必须对船用锂电池系统实施严格的安全管理，包括规范操作程序、定期检查与维护，以及制订和演练应急预案，以最大限度降低锂电池火灾与爆炸的风险，确保船舶和船员的安全。

1 上海市已开展的内河新能源动力船舶应用

上海市新能源动力船舶已经在游览船、轮渡、运输船和公务船等各类船型广泛开展应用。游览船方面，上海“一江一河”水域开展应用有久事旅游集团运营的纯电动“上海久事”号和苏州河9m纯电动游船6艘、15m纯电动游船6艘。轮渡方面，典型应用代表为上海客轮运营的车客渡船“新生态”轮。公务船方面，典型应用有上海水务局运营的内河新能源公务巡逻船“青浦水务”3号、国网上海新能源船舶“浦龙”号护缆船，见表1。

2 新型动力船舶锂电池火灾爆炸的原因分析

2.1 电化学不稳定性及内部短路

在充电和放电过程中，锂离子在正负极之间通过电解质和隔膜移动。然而，由于一系列复杂的化学反应和物理变化，锂电池可能表现出电化学不稳定性，从而增加内部短路的风险[2]。

一是电解液分解。在充放电过程中，电解液的溶剂和盐类可能分解，产生气体或高能化合物，这会改变电解液的成分，形成固体沉淀或气泡，增加电池内部压力与不稳定性。例如在充电时，碳酸酯类溶剂和六氟磷酸锂等锂盐分解，产生氟化物离子和五氟化磷气体，这些气体不仅改变电解液成分，还可能导致电池内部压力增加，引起膨胀、损坏或破裂，增加安全隐患。

二是活性物质脱落。锂离子电池的正负极活性物质在充放电循环中可能脱落或结构破坏。例如，钴酸锂等正极材料在充放电中体积变化导致结构不稳定，可能引发颗粒脱落或结构破坏，这些脱落颗粒可能堆积或形成导电通路，导致正负极间短路。负极的碳或石墨材料也可能因结构破坏而脱落，同样引起内部问题。

三是锂枝晶形成。充电过程中可能在负极表面形成锂枝晶，这些不规则沉积的锂金属可能穿透隔膜，直接引发正负极间的内部短路。这种短路可能导致电池过热，电解液分解生成气体，增加内部压力，甚至可能引发爆炸或火灾[3]。

2.2 锂电池设计和制造缺陷

设计和制造中的缺陷是引发火灾和爆炸的重要原因之一。不适当的电池设计，如选择不当的隔膜材料、电极材料配比错误或装配质量低下，都可能导致电池性能不稳定。此外，不严格的质量控制也可能使生产的电池存在安全隐患。

一是隔膜材料选择不当。隔膜用于锂离子电池中隔离正负极，防止短路。不适合的隔膜材料选择可能影响其隔离性能，增加内部短路的风险。例如，使用低质量或不适合的聚合物材料可能在高温下导致隔膜失效，使正负极直接接触，引发内部短路。

二是电极材料配比不正确。电极中活性物质的不正确配比可能导致电极容量不均或循环寿命下降。如正极中钴、镍、锰比例不当，可能在充放电过程中产生不稳定极化，增加热失控的风险。

三是装配质量问题。电池装配时，如果电极叠放不均或存在空隙，可能导致电池内部压力不均，加剧热失控的风险。电极与隔膜之间的松动或不良接触也可能引起内部短路。

四是质量控制不严。不严格的质量控制可能导致电池存在多种缺陷，例如，电解液中杂质过多可能使电解液不稳定，甚至触发化学反应；电极材料制备时的不当控制可能导致电极结构不均，增加热失控的风险。

3 预防策略

电池系统作为船舶的主要动力来源，其火灾不仅会导致船只动力丧失，增加船舶自救的复杂性，还可能造成航道阻塞，引发更多的次生灾害。因此，确保电池系统的绝对安全是降低这些风险的关键，需要通过严格的风险控制和安全管理措施来实现。

3.1 技术层面

3.1.1 选用稳定性更高的锂电池

市场上常见的锂电池类型及其特性对比见表2。在船用电池领域，钴酸锂电池由于抗过充能力较弱、安全性较低，以及钴的放射性和稀缺性，存在多种问题。三元电池虽能量密度较高，但其安全性和成本问题限制了在国内的广泛应用。相对而言，锰酸锂电池虽容量较低，在高温环境下易溶解和衰退，其安全性和稳定性不如磷酸铁锂电池。钛酸锂电池虽具有平台电压低、功率密度低、高温下易膨胀及成本高等缺点，其应用于船用电池领域受限。因此，磷酸铁锂电池因其高安全性、较低成本及较高的能量密度，应被视为主流选择。

3.1.2 采用更安全的材料和结构

为了提高船用电池的安全性并减少火灾及爆炸风险，研发改进电解质和隔膜材料是关键。固态电解质因其耐用性和安全性被视为有前景的解决方案，能有效减少热失控和电解液泄漏的风险。此外，改性液态电解质中加入阻燃剂，如磷酸盐和氟化物，可以降低其易燃性，然而，含磷阻燃剂在还原条件下易分解，并对锂金属有较高的反应活性，可能导致固体电解质界面（SEI）不稳定，影响电池性能。因此，添加能与锂金属形成稳定SEI的成分，如磷酸三甲酯（TMP）、磷酸三乙酯（TEP）和磷酸三苯酯（TPP），可以有效保护锂负极。同时，引入耐高温的阻燃隔膜，如基于BPPO的隔膜，通过其内部结构增强热稳定性并在高温下释放溴自由基，能有效阻断火灾触发的自由基链反应，并且在200℃的极端温度条件下，该隔膜仍能维持形状和功能不变。

3.2 操作层面

3.2.1 建立操作规程与日常维护

在操作层面，建立严格的操作规程至关重要。这包括制定详细的充电和放电管理步骤及标准，并明确操作人员在电池系统操作中应遵循的具体程序，以及在充电和放电过程中应注意的安全措施。同时，规定充电和放电的时间、温度和电流参数，确保操作的准确性和安全性[4]。

此外，定期进行电池检查和维护是确保电池系统长期稳定运行的关键。这包括定期进行电池外观检查、电压和温度监测，以及清洁和维护电池及其周围环境。建立详尽的记录和报告制度，能及时发现并解决潜在问题，保障电池系统的安全性和可靠性。

3.2.2 配备电池管理系统（BMS）

需配备高效的电池管理系统（BMS），系统应采用三级架构，逐级监控，包括“电池包从控BMS、从控高压盒、主控高压盒”，确保每组电池包的独立性，即使单电池包出现故障也不会影响整个系统。多功能监控和三级预警保护包括“一级预警、二级告警、三级保护”，涵盖电池单体电压、温度、电流回路、环境温度和电池系统绝缘电阻的测量；对电池充放电及其设备的控制；对电池单体和模块间的均衡控制；以及过流、过充过放、高温、自检功能故障的保护和控制。此外，系统可对电池故障风险、低电量、充电不匹配等进行预警和报警，达到危险值时自动切断保护。

3.2.3 防火与灭火

为防火灭火，需在船用锂电池包内置单元采集模块进行电芯温度和电压的实时监控。采集模块分为一、二、三级报警，并在达到三级报警时自动切断充放电回路，传递相关信号到监控报警系统。电池包箱体设计应考虑防氧化和耐高温性能，为其配备通风格栅或防爆措施，以利于通风散热及灭火。电池包消防系统应依托于电池舱的整体消防系统。

合理选用灭火材料是控制火情的关键，与常规船舶使用二氧化碳作为固定灭火系统介质所不同的是，在电动船舶则需要使用七氟丙烷作为固定灭火系统的灭火介质。七氟丙烷作为一种高效、环保、无味、低毒的灭火剂，可以提高锂离子电池热失控的初始放热温度，缩短起始放热时间，提高锂电池的相对安全性[5]。

3.3 逃生和组织营救

发生不可控灾害时，立即实施逃生和救援方案至关重要。船舶和陆地交通工具火灾救援挑战不同。救援指挥应考虑船只远离岸边的水域条件，如水流、风速和可用水源。救援队应初步调查火灾船舶的位置，如靠岸或河中心，明确救援计划。了解船舶结构和装载物，预测火源和潜在爆炸危险是关键。救援小组应登船详查，评估火势和逃生路线，确定被困人员位置。对于涉及人员密集的客运船舶或混合运输船舶的火灾，应迅速安全地疏散被困人员至救生艇或安全地点。根据现场实际情况，如救生艇承载能力和安全距离，制订有效的救援计划。若火灾船舶靠近岸边，消防队应迅速行动，在水枪掩护下进入船舱内部，以最快速度进行人员疏散。对于位于开阔水域的船只，应利用附近的救生设施和船只，如救生艇和渔船，从上风向或侧风向接近火场，利用软梯或救生梯实施紧急疏散行动，确保所有人员的安全。

4 结束语

为护航上海市“一江一河”建设发展战略顺利实施，全力确保新型动力船舶在上海市水域的安全运行，本文针对锂电池动力船舶提出了一系列预防策略，涵盖了技术、操作和应急方面的措施。通过选用稳定性更高的锂电池、采用更安全的材料和结构、建立严格的操作规程、配备高效的电池管理系统，以及完善的逃生和组织营救方案，可以有效降低锂电池火灾与爆炸的风险，保障船舶和船员的安全。这些举措将为新型动力船舶锂电池系统的安全管理提供参考和指导，为船舶行业的可持续发展提供有力保障。

参考文献

[1]丁伟.锂电池储能电站火灾抑制与安全防护分析[J].中国科技纵横，2024（2）：115-117.

[2]胡东烨，金泽.锂电池储能系统的火灾特性分析及扑救要点[J].时代汽车，2024（1）：91-93.

[3]陈文博，颜健，孟凌杰，等.电动汽车动力锂电池火灾危险性的研究进展[J].电源技术，2021，45（2）：270-273.

[4]代旭日，何宁.锂电池火灾特点及处置对策[J].消防科学与技术，2016，35（11）：1616-1619.

[5]陈智明，王晓君.受限空间内锂电池火灾扑救的试验研究[J].今日消防，2021，6（7）：4-8.