新能源汽车充电安全

蒲城人

　　2023年3月9日，在广州白云国际会议中心参加新能源汽车智能制造技术论坛。主持新能源汽车电池智能制造技术论坛并发表《新能源汽车充电安全》演讲。现把演讲的主要内容发给大家，以期给有兴趣的朋友参考。

组织现场交流。

　　用锂离子电池芯组件实物展示，让听众认识锂离子电池内部结构，正极、负极和隔膜的样子和作用。很多听众很感兴趣。他们只知道锂离子电池，却从来没有见过里面是什么样子。这样的实物展示可以加深听众对锂离子电池易发生火灾的原因的理解。

锂离子电池内部组件实物展示。

　　因为锂离子电池的固有特性，充电时发生火灾的情况比较多。

电动汽车充电时发生火灾，很容易火烧连营。

　　锂离子电池的理论模型。充放电过程中，在外接电源或者负载的作用下，锂原子失去若干电子，形成正离子。电子通过外电路在正极与负极之间流动，锂离子通过电解液在电池内部游走与正极与负极之间。中间的隔膜是为了防止正负极发生接触而引起电池内部短路的。

为了使锂离子能够方便顺利地在两极之间移动，电解液里面添加了LiPF6（六氟磷酸锂）。隔膜的特性是有可以自行开闭的门，常温下，门是开着的，锂离子自由通过。如果因为各种原因而使电池内部温度升高，超过120℃，隔膜上的门就会关闭，锂离子不能通过，电池发热就会停止。电池温度降下来了，门又打开，电池继续正常工作。

化学电池是在正负极上面产生氧化还原反应得到电流的，其特点是“离子不上岸，电子不下水”，电子只走外电路，离子只走电池里面。要注意的是，在外电路里面，电子的移动方向与电流方向是相反的。所以，看不同的标准时，使用“阴极”和“阳极”这一对概念和工程上说电池的“正极”和“负极”的概念是相反的。电化学上的“阴极”在工程上，也就是一般说的电池的“正极”，“阳极”就是电池的“负极”。

　　锂离子电池的正极、负极材料和隔膜材料的特性。

生产中使用的电解液不是单独一种化学溶剂，各个企业根据自己的需要，把几种溶剂按照一定的比例混合在一起使用。大部分电解液都是甲类或者乙类可燃物。

　　引起锂离子电池发热乃至起火的原因可以分为内因和外因。内因就是制造过程中产生的极片切割产生的毛刺，混入的杂质，隔膜质量不好等等，引起电池内短路。随着锂离子电池生产设备性能提高和检测技术越来越智能化，这类缺陷基本可以避免。但是，锂离子电池生产量那么大，大企业每天的产量甚至达到上百万只，想做到完全杜绝几乎是不可能的。这就是无论大小锂离子电池生产厂都可能或者都发生过火灾的原因。锂离子电池没有出厂，在老化和仓储过程中就发生火灾，主要就是这些原因引起内短路，加热了极易燃的电解液。内部原因是随机出现的，不可能预测的，防不胜防。

外部原因就是因为机械的、电气的和环境的原因使电池发生外短路或者内短路，加热了电解液。

机械的原因是穿刺、挤压、跌落等等原因直接破坏了电池。这比较好理解。

电气的原因，其外短路直接引起电池大电流放电，使电池发热，加热了电解液。其他的过充、过放、大电流高电压充放电等等原因都有可能引起电池内部形成锂枝晶。大的锂枝晶会刺破隔膜，引起内短路。

环境的原因包括高温、低温、温度循环变化等等原因使电池破坏。气压变化，比如货运飞机在地面和高空的温度差异和电池承受的气压变化，会使电池内部正负极及隔膜的径向相对位置发生变化，在一伸一缩之间，可能使本来存在的毛刺、杂物、锂枝晶刺破隔膜，引起内短路。美国的运有锂离子电池的飞机曾经两次发生火灾，就是这个原因。

现在市场上的锂离子电池大部分都是液态电解液，这是锂离子电池容易发生火灾的根本原因。为了提高锂离子电池安全性，科学家正在另辟蹊径，发明了比如全固态电池、聚合物电池，都不使用液态电解液。

　　锂离子电池充电时间长是一个急待解决的问题。很多工程技术人员在研究快速充电问题。但是，电池本身对可承受的充电电压和电流有自己的限制条件。比如钴酸锂电池，充电电压就不许超过5V。

电动汽车要实现快速充电，有三个拦路虎要克服，这就是充电过程中在电池内部产生的极化现象。极化现象也是电池充电时发热的重要原因，也是电动汽车充电时容易发生火灾的原因之一。

　　电动汽车着火以后，产生大量有毒烟气。尤其是电解液里面含有LiPF6,着火以后产生氟化氢HF，也就是强腐蚀性氢氟酸，对人体伤害很大。

电动汽车火灾不可能完全杜绝，就要在火灾预防和有效灭火方面想办法。现在的新楼盘在地下停车库都安装了充电桩，给电动汽车提供充电服务。地下停车库只有两个出入口，如果发生火灾，有毒烟气不易排出，消防人员很难进入地下火场灭火。所以，地下停车库的排烟通风非常重要。

电动汽车着火以后，最有效的灭火手段就是喷水。

上图就是一个地下停车库电动汽车充电区。有通风管道，也有喷淋灭火系统。但是，这个系统只能在汽车着火比较大的时候，常闭式喷淋头感受到设定温度，比如说 68℃，才能够喷淋灭火。喷淋头的安装位置和距离汽车的高度都会使喷淋头感知温度的灵敏度受到影响，不能及时喷水灭火。汽车停放密度这么大，一辆汽车着火，往往是火烧连营，损失极大。

　　上图也是一个地下停车库，有大量充电桩。但是，只有通风管道，没有喷淋灭火系统。万一有一辆车着火，后果不堪设想。

　　这种立体停车库，如果着火后不能及时灭火，火从下面往上烧，火灾蔓延更迅速，损失更大。

　　锂离子电池包发生火灾的过程是，首先是某一个电池芯因为内因或者外因使电池发热，电解液膨胀，泄漏，着火。已经着火的电池加热了旁边相邻的电池，形成链式反应。所以锂离子电池包着火不是突然全部电池一起着火，而是有一个发展过程。因此，锂离子电池包着火以后，主要矛盾不是灭火，而是降温。把其他被加热的电池的温度降低到120℃以下，就不会着火。已经着火的电池里面电解液容量有限，烧完了，火自然就灭了。实践证明锂离子电池包着火，最有效的灭火剂是水。干粉灭火器只能扑灭有明火的燃烧，不能降温。干粉灭火器对锂离子电池火灾没有效果。

　　小型电动汽车的电池包在底盘上。着火以后，喷淋水很难达到电池包。

　　电动大巴的电池包在车底、车顶和车内几个地方都有。着火以后，喷淋水很难达到电池包。也就是说，电动汽车着火以后，比其他火灾扑灭难度更大。

　　锂离子电池着火有一个发展过程，给早期探测报警提供了可能性。早发现，就可以早处理，可以避免火真正着起来以后造成火烧连营的灾难性后果。

红外线探测仪是一个值得推广的技术手段，可以在电池包发热阶段就发出报警，把事故消灭在初起阶段。

　　普通的自动喷淋水系统只能起到降温作用，而且由于喷淋头安装位置的限制，喷淋水不容易直接喷到电池包上，灭火效果不理想。

水喷雾灭火系统和细水雾灭火系统的特点是，喷出的水不是水线，而是粒径不超过0.5mm的不连续的水滴。这么小的水滴遇到火场的高温立刻汽化。由液相到气相吸收大量的热量，起到降温的作用。同时，水蒸气在火场形成厚厚的一层水蒸汽，隔绝了空气，起到窒息法灭火的效果。水蒸气包围了着火的汽车，就可以给隐蔽的电池包降温。在地下停车库、立体停车库安装这两种水灭火系统应该会取得比较好的效果。

　　这是我写的《锂电池及其安全》，42万字，四百多页。从安全角度看锂电池。内容从金属锂电池和锂离子电池的配料开始，到制造各工序安全，储存、运输、使用、废旧电池处理等电池的全生命周期的安全。可以帮助读者比较快地建立起对锂电池安全的认识。

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