近期多起电动汽车起火爆炸事件再次将动力电池的安全性问题推上了风口浪尖, 三元材料取代磷酸铁锂材料电池在带来电动汽车续航里程增加的同时, 也导致了电池安全性的降低, 在发生碰撞事故时容易引起动力电池燃烧等安全事故. 为了增加在动力电池发生燃烧事故时车内乘客的逃生时间, 一般需要在电池箱内部增加灭火系统, 抑制热失控在电池箱内部的蔓延. 与传统的有机物燃烧不同, 电池体系内即包含还原剂, 也包含氧化剂, 因此简单的隔绝空气并不能阻止锂离子电池的燃烧, 也就是传统的灭火剂并不一定适用于扑灭动力电池火灾.
动力锂离子电池起火主要有以下特点:
1.着火速度快, 持续时间长
根据NFPA (美国消防协会) 的实验, 火势仅仅数秒钟的时间就在动力电池模块内快速的蔓延, 持续约27min.
2.燃烧温度高
动力电池燃烧的一大特点是温度高, 根据NFPA的实验, 燃烧中电池外部最高温度可达283-1090摄氏度, 电池内部的温度可达572-1121摄氏度, 如此高的温度足以引燃电池模块内部和汽车内的其他可燃材料, 产生更大的火灾.
3.扑灭困难
对于动力电池而言, 大部分燃烧反应发生在电池外壳内部, 电池外壳阻碍了灭火剂发生作用, 在实践中动力电池火灾的扑灭时间往往超过了消防员所携带的氧气瓶的供氧时间, 对消防员的人身安全构成了一定的威胁.
为了验证不同灭火剂对动力电池火灾的扑灭效果, 美国联邦航空管理局FAA测试了基于水溶液的灭火体系, 如水, AF-31, AF-21等, 气体灭火剂, 如FM-200, FE-36, 以及干粉灭火剂, 研究表明灭火剂的冷却效果是影响灭火效果的关键因素, 因而水基灭火剂扑灭锂离子电池的效果最好, 而干粉和气体灭火剂对锂离子电池火灾基本上没有效果.
中国的一些研究院所, 例如中国科学技术大学等的研究表明二氧化碳, 干粉等灭火剂对扑灭锂离子电池火灾效果不大, 其实这也不难理解, 这主要是因为这些灭火剂的主要工作原理是通过隔绝空气中的氧气, 从而使得燃烧反应无法进行, 但是在锂离子电池内部正极材料, 特别是在充电状态下的正极材料本身就是一种强氧化剂, 而负极活性物质, 电解液等都是还原剂, 已经具备了基本的燃烧条件, 因此普通的隔绝空气型灭火剂无也就对锂离子电池火灾起到效果, 只有能够快速冷却效果的灭火剂, 迅速带走燃烧产生的热量, 使得燃烧反应不具备持续进行的条件, 才能扑灭锂离子电池火灾.
虽然水作为灭火剂扑灭动力电池火灾的效果非常好, 然而在实际使用中仍然存在不少问题, 例如扑灭时间长, 耗水量大, 因此水并不是一种十分高效的灭火剂. 2009年德国博世公司测试了水, 泡沫, 干粉和F-500 (一种微胞囊灭火剂, 由Americandangerous goods Control Arts Inc 公司开发) 的效果, 博世公司的测试表明F-500灭火剂是扑灭动力电池火灾的最佳选择, 2013年德国机动车检验协会 (DEKRA) 的测试也同样表明, F-500是一种高效的动力电池灭火剂, 能够大幅缩短动力电池火灾的扑灭时间和降低灭火剂的消耗量.
F-500灭火剂的工作原理主要是通过添加剂有效的降低水的表面张力, 从而在喷射的时候能够形成微小的水滴, 这些水滴能够扩散到锂离子电池的内部, 迅速吸收热量, 达到灭火的效果.
在2017年的举办的火灾科学与消防工程国际研讨会上, 南京工业大学的Weitao Luo (第一作者) 和Shunbing Zhu (通讯作者) 分析了不同灭火剂对扑灭动力电池火灾的作用. 实验中作者采用18650电池作为研究对象, 分别测试纯水, 5%的F-500溶液和自己配置的5%溶液(阴离子/非离子表面活性剂)对锂离子电池火灾的扑灭效果, 同时还测试了水雾对锂离子电池火灾的扑灭效果. 从实验结果来看 (如下图所示) , 采用F-500灭火剂和由作者配制的阴离子, 非离子溶液灭火剂的效果要明显好于纯水灭火剂, 采用两种灭火剂的电池温度迅速下降, 锂离子电池火灾被迅速扑灭, 相比于纯水, 灭火时间大幅缩短. 作者的实验表明即便是采用喷雾灭火, F-500灭火剂和由作者配制的阴离子, 非离子溶液灭火剂的效果也要明显好于纯水, 仅仅4秒钟的时间就能有效的抑制锂离子电池的燃烧.
从上面的分析不难看出, 虽然纯水能够扑灭锂离子电池火灾, 但是效率很低, 扑灭时间长, 水消耗量大, 因此并不适合在电动汽车这种空间有限, 逃生时间非常宝贵的场合, 而F-500灭火剂通过降低水的表面张力, 使得水形成微小的液滴, 从而大幅提升了灭火效率, 使得灭火时间大幅缩短, 灭火剂用量大幅减少, 非常适合在电动汽车上使用. 甚至在飞机这样一些特殊场合上, 比起用水, 采用该类灭火剂也能够在电子设备电池发生燃烧时迅速扑灭火灾, 降低风险.
