庞 敏 鲁 义，2副教授 施式亮教授 刘 勇 周荣义

(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭411201；2.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，湖南 湘潭411201)

0 引言

随着经济与科技的高速发展，不可再生能源的消耗日益增加，臭氧层破坏，雾霾等环境问题也随之而来，因此人们将目光逐渐转向新能源的研发与运用上。

锂离子电池具有体积小、能量密度高、可循环使用且寿命长等特点，已被广泛应用于各个领域，被列为高效能源材料技术的优先发展方向。我国在“863”计划支持下开展了有关锂电池的基础理论与应用研究，已取得一系列重要研究成果。锂离子电池虽然性能优越且应用广泛，但存在严重的安全问题，最主要的问题就是由于电池热失控而引发的燃烧和爆炸[1]，严重威胁到人们的生命和财产安全。因此，对锂离子电池火灾风险管控进行研究尤为重要。笔者通过查阅近年来相关文献，主要从锂离子电池火灾的风险管控方面，针对锂离子电池模型仿真研究技术、火灾防治材料以及各阶段安全评价进行综述，并对现有研究的不足提供新思路。

1 锂离子电池火灾现状分析

1.1 锂离子电池火灾事故典型案例

锂离子电池火灾分布在锂离子电池生命周期的生产、运输、使用、回收等阶段。比如生产阶段，2016年3月26日晚，厦门海沧一锂电池工厂起火，起火建筑为框架结构，燃烧物质为电瓶车锂电池等杂物，无人员伤亡；运输阶段，2006年美国一架DC-8货机着火，在机场迫降后火仍持续燃烧了4h，货物损失严重，同时还有3名机组成员受伤，经调查为货仓内笔记本用锂离子电池着火所致；使用阶段，2006年8月2日，在未受到撞击的情况下，一部iphone6手机的锂离子电池起火燃烧，机主受到三级烧伤；回收阶段，2009年11月7日，加拿大特雷尔市的一个锂离子电池回收仓库发生火灾，事故原因是锂电池短路过热，高温引发燃烧。

1.2 锂离子电池火灾特点

锂离子电池火灾主要表现为C类预混火，在起火初期的本质是气体火灾[2]。锂电池的着火形式主要有两种，一种是以三元锂电池为代表的主动式喷射火，另一种是以磷酸铁锂电池为代表的被动式预混气体火[3]。

锂离子电池火灾的特点可归纳为：燃烧速度快、温度高；火焰喷射距离远，伴随有内溶物飞出；不同种类锂电池火灾行为差异较大燃烧特征差异大；燃烧逸出气体成分复杂，毒性大；灭火与应急救援困难，复燃概率高。

1.3 锂离子电池火灾诱因

导致锂离子电池火灾最主要的原因是锂离子电池受内部或外部因素影响而引发的热失控，其中，内部因素有制造瑕疵以及自身缺陷，外部因素有过充电、短路、机械滥用、高温热冲击等。短路、针刺、撞击导致锂离子电池热失控的机理大致相同[4]。电池受到针刺、撞击等外部机械因素影响时，破损部位内部会发生短路，而电池短路就会有较大电流通过锂电池，导致电池内部产生大量的热，随着温度的升高，散发的热量足以支撑热分解反应时，电池正极发生热分解反应，金属锂析出，与外界气体接触引发燃烧，导致热失控[5]。

2 锂离子电池火灾风险管控

2.1 锂离子电池模型仿真技术研究

Farid Bahiraei等[6]提出一种新三维耦合电化学热模型，可以更加准确地估计不同放电速率下电池的温度分布。K.Darcovich等[7]通过运用二维欧姆定律有限体积法，确定了棱柱形电池内部的电流分布，建立了可用于表述汽车电池组热状态的简化电化学模型。张遥等[8]应用CFD-ACE+软件进行建模，针对锂离子电池充放电情况下的热性能，进行了仿真模拟，并对所得结果进行数值分析。结果表明，除去电极和电解液的影响因素外，引流极耳、极柱和壳体的优化设计可以显著改善电池内部的热分布。张立军等[9]运用相似原理，建立了一个将正负极集流板和电解液的欧姆热等因素综合考虑的三维分层耦合模型，对锂离子电池内部各层温度的分布和生热速率进行了分析，发现负极平均生热速率的变化大于正极。田华等[10]建立了电化学—热耦合模型，发现在低放电倍率下，主要的生热来源是可逆热；在高放电倍率下，主要的生热来源是液相中的欧姆热。

2.2 锂离子电池火灾防治材料研究

目前，国内外对锂离子电池火灾防治材料方面研究的公开报道较少，美国和欧洲是对该方面研究较早的国家，而国内相关科研机构的研究主要集中在锂电池燃烧特性方面[11]。美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration，FAA)是最早开展锂电池火灾灭火剂技术研究的机构之一。研究发现，水基型灭火剂灭火效果最佳，具有良好的降温性能[12-13]。中国船级社武汉规范研究所针对船用动力锂电池，对灭火剂有效性进行了研究，对比分析了干粉、二氧化碳以及七氟丙烷灭火剂对抑制锂电池火灾的效果，实验发现，七氟丙烷灭火剂灭火效果最佳且未发生复燃[14]。此外，李毅等[15]发现二氧化碳、3%的水成膜泡沫以及ABC干粉均能有效扑灭18650型钴酸锂电池火灾的明火，但三者均出现复燃现象，且发生复燃的时间与灭火剂的冷却能力成正比。张青松等[16]发现在抑制锂电池热失控方面，使用细水雾灭火剂，可以有效扑灭锂离子电池火灾，并且能长时间、持续性抑制锂离子电池热失控。刘昱君等[17]搭建了可用于多种灭火介质的灭火测试平台，通过实验得出抑制锂离子电池火灾温升效果最佳的灭火介质是水，其次是全氟己酮，效果最差的是CO2。吴静云等[18]梳理不同灭火剂对电池火灾的灭火效率，为电化学储能电站的灭火系统提供选择。

2.3 锂离子电池生命周期各阶段安全评价研究

锂离子电池全生命周期包括锂离子电池的生产、储存、使用、运输和回收。在锂离子电池储存方面，Mingyi Chen等[19]对两种商用18650锂离子电池(LiCoO2和LiFePO4)在不同充电状态下的燃烧性能进行测试，对锂离子电池的热危害性进行评估，结果表明，随着燃烧性能增加，热释放率和总热量上升，锂离子电池起火的直接原因是固体电解质界面分解以及聚合物隔膜收缩，其研究结果可为锂离子电池的储存和分配过程中的防火提供科学依据。在锂离子电池使用和运行方面，陈豪等[20]通过分析温度、电压、电流、功率等运行参数，提出了储能锂电池运行状态的评估指标，并对指标体系进行了综合评价。结果表明该指标体系可以有效评估储能锂电池老化和故障情况。丁传记等[21]分析了多种动力锂电池的性能以及事故发生机理，设计了适合动力锂电池的火灾预警系统和自动灭火系统，同时还设计了适用于电池箱的快拆结构，实现了对锂电池箱的快速组装与拆卸。在锂离子电池铁路运输方面，李霜[22]引入耗散结构理论和熵理论，将“安全熵”作为评价锂电池铁路运输安全状态的主要指标，为锂电池铁路运输安全评价方法提供了新的思路和方法。在锂离子电池航空运输方面，杜珺等[23-24]对FAA收录的100多起锂电池航空运输事故进行分析，运用三角模糊定量方法，建立锂电池航空运输火灾事故树，提出控制措施及管理方法。在锂电池运输包装方面，潘生林等[25]在对锂电池运输包装的安全要求方面，综合考虑锂电池火灾危险特性及相关法律规章，提出了锂电池运输包装的设计要素和防护措施。在锂离子电池回收再利用方面，肖姝宇[26]从锂电池被使用需求的角度出发，分析电池内部特征与电池老化的内在关系，综合考虑电池的容量衰减及功率衰减情况，提出了评价电池老化的新方法，为锂电池淘汰及回收利用提供科学指导。赵光金等[27]研究了退役动力单体锂电池的可用性评价方法，通过对退役电池内阻、剩余容量、寿命及隔膜性能等简单参量的计算，即可实现对退役电池的快速、高效分选。在锂电池火灾危险性综合评价方面，王文和等[28]选用辐射热和荷电状态为变量，对3种不同品牌的电池进行了燃烧实验，通过锥形量热仪对电池的热释放参数、毒性参数等进行分析，在试验的基础上构建了锂离子电池火灾危险性综合评价指标体系。

3 锂离子电池火灾管控下一步思考

以上学者针对锂离子电池生命周期的各个阶段分别进行了研究，但没有系统的对锂离子电池全生命周期的风险管控进行研究。下文将生物免疫机理引入对锂离子电池火灾的风险管控中，将锂离子电池的安全管理系统比作人体免疫系统，分析生物免疫系统与锂离子电池安全管理体系的耦合性，为实现锂离子电池的全生命周期安全管理提供一个新思路。

3.1 生物免疫机理

免疫机理即当生物系统受到外来病毒侵害时，它会激活免疫系统本身，以保证整个生物系统的基本生理功能正常运行。目前，生物免疫机理在安全管理中的应用主要基于事故的预警和应急。

3.2 生物免疫系统与锂电池安全管理体系的耦合性

将锂电池的整个生命周期看作是一个生物有机整体，其安全管理系统类似于生物体的免疫系统。有以下相似点：作用对象相似，即两者的作用对象都是来自系统内部及外部的危险因素；组织构成相似，即两者都是严密的系统，免疫系统是免疫基因、免疫分子、免疫细胞、免疫器官等多种元素构成的系统，而锂电池安全管理体系是从锂电池的生产、运输、使用和回收各个阶段都有相对应的管理制度和管理部门，是一个完整的管理系统；功能相似，即两者都是消灭有害因素，确保所依赖系统处于正常状态。免疫系统的基本功能是消灭各种侵袭机体的抗原，保护机体的健康，锂电池安全管理体系的基本功能是消除各种危险因素与隐患，避免事故的发生。

4 结论

关于锂离子电池火灾风险管控的研究，在锂离子电池模型仿真技术方面，将试验与仿真技术的结合与运用已成为现阶段的研究趋势，节能的同时可以提高实验的准确性，有利于更好的提高电池的安全性；在锂离子电池火灾防治材料方面，未来的研究方向将是采用水基型灭火剂，不断优化细水雾，提高灭火效率，更好的控制火情。在锂离子电池火灾的安全评价方面，涉及到锂离子电池的生产、使用、运输、回收等阶段，但没有进行整体的评价，而是将锂离子电池的生命周期分割成各个阶段。考虑到对锂离子电池火灾风险管控的系统性、全面性，可将锂电池全生命周期的安全管理系统比作人体免疫系统，将生物免疫机理引入到对锂离子电池火灾风险管控中，以此实现对锂离子电池全生命周期的火灾风险管控。