據(jù)多家媒體報(bào)道，日前，一輛城際公交車行駛在104國(guó)道南京段，突然間車輛起火，造成2死5傷。后經(jīng)調(diào)查，公交車起火是由于一名乘客將鋰電池電瓶放入背包中，司機(jī)并未發(fā)現(xiàn)，鋰電池電瓶發(fā)生自燃。

(資料圖)

鋰電池引起火災(zāi)已經(jīng)多次被報(bào)道，安全隱患就在我們身邊。鋰電池的自燃風(fēng)險(xiǎn)如何產(chǎn)生？是否有改進(jìn)方案，使其自燃風(fēng)險(xiǎn)大大降低？

鋰電池為什么容易自燃

“當(dāng)鋰電池的內(nèi)部溫度達(dá)到70℃左右時(shí)，負(fù)極的固態(tài)電解質(zhì)膜開(kāi)始分解，發(fā)生自放熱反應(yīng)，隨著溫度進(jìn)一步升高，多個(gè)副反應(yīng)相互影響，于是電池產(chǎn)生鼓包、膨脹直至熱失控。”南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授楊暉向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹了鋰電池發(fā)熱原理。

由鋰電池自放熱反應(yīng)導(dǎo)致的電池?zé)崾Э兀殉蔀橹萍s鋰電池進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用的瓶頸。2022年9月29日，成都某小區(qū)新能源汽車在充電過(guò)程中發(fā)生爆炸，致兩人受傷。2023年6月6日，杭州一輛新能源車碰撞收費(fèi)站設(shè)施后迅速起火，造成4人死亡。

然而，目前正在開(kāi)發(fā)的高安全、高能量密度的半固態(tài)、全固態(tài)鋰電池，因存在生產(chǎn)環(huán)境要求嚴(yán)苛、生產(chǎn)過(guò)程煩瑣復(fù)雜、良品率低、價(jià)格昂貴等問(wèn)題，遲遲不能量產(chǎn)。

“目前商用能量密度較高的高鎳三元鋰電池，其熱失控伴隨著劇烈的噴射、燃燒等現(xiàn)象，最高溫度達(dá)1200℃，并釋放出有毒有害氣體。”楊暉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

電瓶是由多塊電池排列組合而成，當(dāng)單塊電池發(fā)生熱失控后熱量便會(huì)傳遞至周圍電池，引發(fā)熱失控蔓延。“當(dāng)然，電瓶中的電池若均一性較差，存在壓差，導(dǎo)致個(gè)別電池存在過(guò)充、過(guò)放等現(xiàn)象，本征安全性也會(huì)較差。”楊暉說(shuō)。

他補(bǔ)充說(shuō)，若老舊電瓶?jī)?nèi)部線路排布出現(xiàn)老化、松動(dòng)，再在運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)顛簸，也會(huì)導(dǎo)致線路短路、電池異常放熱，發(fā)生熱失控。這輛城際公交車的事故發(fā)生在中午，氣溫較高，電瓶可能受到了陽(yáng)光照射，導(dǎo)致局部過(guò)熱，由于電瓶的散熱性能很差，內(nèi)部熱量堆積引起熱失控。

防范鋰電池爆炸的四種方法

為了控制鋰電池爆炸帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，按照規(guī)定，額定能量超過(guò)160Wh的充電寶不能攜帶上飛機(jī)。高鐵出行時(shí)攜帶充電寶需滿足標(biāo)志清晰可見(jiàn)且單塊額定能量不超過(guò)100Wh的要求。乘客乘坐客運(yùn)班車時(shí)所攜帶的充電寶、鋰電池?cái)?shù)量不得超過(guò)5塊、單塊額定容量不得超過(guò)20000mAh。

“除了適時(shí)檢測(cè)挑出鼓包等異常電池，確保電池運(yùn)輸過(guò)程環(huán)境安全外，防止熱失控最關(guān)鍵。”南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生湯進(jìn)介紹道，國(guó)標(biāo)《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》已明確規(guī)定在電池包中設(shè)置電池監(jiān)測(cè)及早期預(yù)警系統(tǒng)。

“利用電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電池的電壓、電流、溫度等情況，一旦發(fā)現(xiàn)某一電芯出現(xiàn)異常，應(yīng)立即斷開(kāi)該電池與系統(tǒng)的連接并進(jìn)行報(bào)警。”湯進(jìn)說(shuō)。

據(jù)湯進(jìn)介紹，當(dāng)下防范鋰電池爆炸主要有電池冷卻系統(tǒng)、細(xì)水霧熱失控防護(hù)、泄壓抑爆系統(tǒng)和電池隔熱系統(tǒng)四種方法。

電池冷卻系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)冷、液冷、直冷等熱管理調(diào)節(jié)電池組溫度，避免電池過(guò)熱，或在電池發(fā)生熱失控時(shí)為系統(tǒng)迅速降溫，延緩熱失控蔓延。

細(xì)水霧熱失控防護(hù)是在電池包中設(shè)置滅火裝置，在發(fā)生電池火災(zāi)時(shí)通過(guò)噴射七氟丙烷和全氟己酮滅火劑，抑制鋰離子電池?zé)崾Э厍捌诘幕饎?shì)蔓延。

泄壓抑爆系統(tǒng)是在電池發(fā)生熱失控時(shí)主動(dòng)排風(fēng)，利用惰性氣體控制預(yù)制艙內(nèi)可燃?xì)怏w濃度、降低可燃?xì)怏w極限氧濃度，以防止爆炸發(fā)生。

鋰電池一旦發(fā)生熱失控，從冒煙到爆炸僅需56秒。如何迅速阻斷某一個(gè)電芯熱失控時(shí)的熱傳遞？南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院博士生吳新遠(yuǎn)說(shuō)，在電池/模組間使用電池隔熱片，抑制熱量向周圍電池傳遞，延緩熱失控蔓延，力求哪怕“城門”失火也不會(huì)殃及“池魚(yú)”。“電池隔熱系統(tǒng)能有效阻斷熱失控，因而更受市場(chǎng)歡迎。”

氣凝膠氈成為隔熱“明星”

較之其他隔熱材料，氣凝膠氈憑借更低的導(dǎo)熱系數(shù)、更好的耐高溫性能脫穎而出，成為目前主流電池隔熱片“新寵”。此外，南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授沈曉冬告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，復(fù)合相變材料可以吸收電池?zé)崾Э厣l(fā)的熱量，對(duì)延緩熱失控蔓延也具有顯著效果。

湯進(jìn)由楊暉和沈曉冬共同指導(dǎo)，他的博士課題便是關(guān)于利用氣凝膠改善鋰電池系統(tǒng)安全性的研究。

他表示，能量密度高的高鎳三元鋰電池目前在高端電動(dòng)車中應(yīng)用逐漸增加。但高鎳三元安全性差，在熱失控時(shí)其最高溫度能超過(guò)1000℃。氣凝膠是阻斷電池?zé)崧痈魺岵牧现械囊环N，但普通的硅基氣凝膠一般只能隔斷600℃左右的溫度，不適用于高鎳三元鋰電池。

沈曉冬團(tuán)隊(duì)研發(fā)并量產(chǎn)的耐1200℃高溫的氧化硅氣凝膠材料已成功應(yīng)用于鋰離子動(dòng)力電池芯組間的隔熱。“該材料為芯組構(gòu)筑了一道高性能‘防火墻’，很好地阻斷了熱失控過(guò)程中的熱蔓延，相當(dāng)于給鋰電池穿上安全‘隔熱服’，也為人民生命安全穿上‘防護(hù)服’。” 沈曉冬說(shuō)。

“氣凝膠納米級(jí)網(wǎng)狀骨構(gòu)孔洞中超99%的空隙由空氣填充。”沈曉冬介紹道，空氣是熱的不良導(dǎo)體，而氣凝膠中的空氣被網(wǎng)格絆住了“腳”無(wú)法流動(dòng)，因此導(dǎo)熱性較之空氣更低，成為隔熱“明星”。

今年5月，沈曉冬團(tuán)隊(duì)研發(fā)的耐1200℃的新型氣凝膠氈產(chǎn)品問(wèn)世，并在江蘇珈云新材料有限公司完成A輪融資，實(shí)現(xiàn)了高性能氧化硅氣凝膠系列產(chǎn)品量產(chǎn)。

湯進(jìn)表示，如果這起事故的電瓶中使用了氣凝膠氈隔熱材料，單塊電池發(fā)生熱失控時(shí)所釋放的有限能量就會(huì)被阻斷，不會(huì)迅速熱蔓延至相鄰電池引發(fā)爆燃，有望給予乘客充足的時(shí)間逃生。該火災(zāi)甚至有可能在早期被撲滅，而不會(huì)引起電動(dòng)公交車自燃、導(dǎo)致重大的人身安全和財(cái)產(chǎn)事故。他們特別期待，自己研發(fā)的新技術(shù)能早日在生活中發(fā)揮強(qiáng)有力的保護(hù)作用。

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