近期多起電動汽車起火爆炸事件再次將動力電池的安全性問題推上了風口浪尖, 三元材料取代磷酸鐵鋰材料電池在帶來電動汽車續航裡程增加的同時, 也導致了電池安全性的降低, 在發生碰撞事故時容易引起動力電池燃燒等安全事故. 為了增加在動力電池發生燃燒事故時車內乘客的逃生時間, 一般需要在電池箱內部增加滅火系統, 抑制熱失控在電池箱內部的蔓延. 與傳統的有機物燃燒不同, 電池體系內即包含還原劑, 也包含氧化劑, 因此簡單的隔絕空氣並不能阻止鋰離子電池的燃燒, 也就是傳統的滅火劑並不一定適用於撲滅動力電池火災.
動力鋰離子電池起火主要有以下特點:
1.著火速度快, 持續時間長
根據NFPA (美國消防協會) 的實驗, 火勢僅僅數秒鐘的時間就在動力電池模組內快速的蔓延, 持續約27min.
2.燃燒溫度高
動力電池燃燒的一大特點是溫度高, 根據NFPA的實驗, 燃燒中電池外部最高溫度可達283-1090攝氏度, 電池內部的溫度可達572-1121攝氏度, 如此高的溫度足以引燃電池模組內部和汽車內的其他可燃材料, 產生更大的火災.
3.撲滅困難
對於動力電池而言, 大部分燃燒反應發生在電池外殼內部, 電池外殼阻礙了滅火劑發生作用, 在實踐中動力電池火災的撲滅時間往往超過了消防員所攜帶的氧氣瓶的供氧時間, 對消防員的人身安全構成了一定的威脅.
為了驗證不同滅火劑對動力電池火災的撲滅效果, 美國聯邦航空管理局FAA測試了基於水溶液的滅火體系, 如水, AF-31, AF-21等, 氣體滅火劑, 如FM-200, FE-36, 以及乾粉滅火劑, 研究表明滅火劑的冷卻效果是影響滅火效果的關鍵因素, 因而水基滅火劑撲滅鋰離子電池的效果最好, 而乾粉和氣體滅火劑對鋰離子電池火災基本上沒有效果.
中國的一些研究院所, 例如中國科學技術大學等的研究表明二氧化碳, 乾粉等滅火劑對撲滅鋰離子電池火災效果不大, 其實這也不難理解, 這主要是因為這些滅火劑的主要工作原理是通過隔絕空氣中的氧氣, 從而使得燃燒反應無法進行, 但是在鋰離子電池內部正極材料, 特別是在充電狀態下的正極材料本身就是一種強氧化劑, 而負極活性物質, 電解液等都是還原劑, 已經具備了基本的燃燒條件, 因此普通的隔絕空氣型滅火劑無也就對鋰離子電池火災起到效果, 只有能夠快速冷卻效果的滅火劑, 迅速帶走燃燒產生的熱量, 使得燃燒反應不具備持續進行的條件, 才能撲滅鋰離子電池火災.
雖然水作為滅火劑撲滅動力電池火災的效果非常好, 然而在實際使用中仍然存在不少問題, 例如撲滅時間長, 耗水量大, 因此水並不是一種十分高效的滅火劑. 2009年德國博世公司測試了水, 泡沫, 乾粉和F-500 (一種微胞囊滅火劑, 由Americandangerous goods Control Arts Inc 公司開發) 的效果, 博世公司的測試表明F-500滅火劑是撲滅動力電池火災的最佳選擇, 2013年德國機動車檢驗協會 (DEKRA) 的測試也同樣表明, F-500是一種高效的動力電池滅火劑, 能夠大幅縮短動力電池火災的撲滅時間和降低滅火劑的消耗量.
F-500滅火劑的工作原理主要是通過添加劑有效的降低水的表面張力, 從而在噴射的時候能夠形成微小的水滴, 這些水滴能夠擴散到鋰離子電池的內部, 迅速吸收熱量, 達到滅火的效果.
在2017年的舉辦的火災科學與消防工程國際研討會上, 南京工業大學的Weitao Luo (第一作者) 和Shunbing Zhu (通訊作者) 分析了不同滅火劑對撲滅動力電池火災的作用. 實驗中作者採用18650電池作為研究對象, 分別測試純水, 5%的F-500溶液和自己配置的5%溶液(陰離子/非離子表面活性劑)對鋰離子電池火災的撲滅效果, 同時還測試了水霧對鋰離子電池火災的撲滅效果. 從實驗結果來看 (如下圖所示) , 採用F-500滅火劑和由作者配製的陰離子, 非離子溶液滅火劑的效果要明顯好於純水滅火劑, 採用兩種滅火劑的電池溫度迅速下降, 鋰離子電池火災被迅速撲滅, 相比於純水, 滅火時間大幅縮短. 作者的實驗表明即便是採用噴霧滅火, F-500滅火劑和由作者配製的陰離子, 非離子溶液滅火劑的效果也要明顯好於純水, 僅僅4秒鐘的時間就能有效的抑制鋰離子電池的燃燒.
從上面的分析不難看出, 雖然純水能夠撲滅鋰離子電池火災, 但是效率很低, 撲滅時間長, 水消耗量大, 因此並不適合在電動汽車這種空間有限, 逃生時間非常寶貴的場合, 而F-500滅火劑通過降低水的表面張力, 使得水形成微小的液滴, 從而大幅提升了滅火效率, 使得滅火時間大幅縮短, 滅火劑用量大幅減少, 非常適合在電動汽車上使用. 甚至在飛機這樣一些特殊場合上, 比起用水, 採用該類滅火劑也能夠在電子設備電池發生燃燒時迅速撲滅火災, 降低風險.
