《消防科學與技術》：抑制鋰離子電池火災的新型滅火劑研究進展
抑制鋰離子電池火災的新型滅火劑研究進展
張淇厚1, 李思成2*, 劉佳玲1
?。?.中國人民警察大學研究生院，河北廊坊065000；2.中國人民警察大學防火工程學院，河北廊坊065000）
摘要：介紹鋰離子電池的基本結構與工作原理，分析鋰離子電池熱失控的觸發(fā)方式，重點分析3種新型鋰離子電池滅火劑，即水凝膠滅火劑、全氟己酮滅火劑以及干水滅火劑的滅火機理、滅火劑制備以及滅火性能，并且對其他正處于研究初期的新型滅火劑進行了概括與展望。在此基礎上，對3種滅火劑的優(yōu)缺點進行總結和歸納，并為今后滅火劑滅火效果的提高和性能的完善提供思路，提升鋰離子電池的安全性，促進電化學儲能技術的發(fā)展與應用。
關鍵詞：鋰離子電池；熱失控；滅火機理；水凝膠；全氟己酮；干水
基金項目：河北省重點研發(fā)計劃項目（22375418D）
研究意義
在“雙碳”背景下，我國電化學儲能行業(yè)飛速發(fā)展。鋰離子電池作為當下新能源汽車動力來源的主流選擇，鋰離子電池因自身的理化性質，仍然存在一定的安全隱患。此類綜述在介紹現有新型滅火劑滅火機理、制作以及滅火性能的前提下，進一步對之后滅火劑的研發(fā)做出展望，有助于推動鋰電池的災后應急處理水平，為未來鋰電池滅火技術發(fā)展指明方向。
研究重點：三種新型滅火劑滅火機理、制備及滅火性能
1）水凝膠滅火劑
對于水凝膠滅火劑，其滅火機理主要為吸收熱量、阻止氧氣供應以及削弱輔熱等三方面。使用水凝膠進行滅火還可以有效阻止鋰電池、煤炭、灌木等易復燃物質的火災復燃。
對于水凝膠的制備，大多數采用攪拌機、反應釜、干燥箱等設備。表1為國內外學者對于水凝膠制備所用材料、制備方法及創(chuàng)新點的匯總。
表1 水凝膠滅火劑制備匯總
水凝膠滅火劑在滅火性能上較優(yōu)越，噴射后可立刻對鋰電池進行包覆降溫，并阻隔氧氣。
2）全氟己酮滅火劑
全氟己酮的滅火機理主要包括降溫冷卻、化學抑制以及隔絕氧氣3種形式，其滅火機理如圖2所示。
圖2 全氟己酮滅火機理
現階段全氟己酮的合成方法很多，在前期使用階段主要是使六氟丙烯和環(huán)氧化合物在催化劑的作用下進行反應，或者使環(huán)氧化合物異構化的方法合成。近年來，相關學者對全氟己酮制備所用材料、方法及創(chuàng)新點匯總如表2所示。
表2 全氟己酮滅火劑制備匯總
目前大多數儲能電站在使用全氟己酮進行火災抑制，雖然其在低濃度時可能造成短期內的毒性增加，但綜合滅火效果仍是優(yōu)于傳統(tǒng)滅火劑。
3）干水滅火劑
干水滅火劑與傳統(tǒng)的干粉和細水霧滅火劑不同，其結合了兩者的優(yōu)點，具有優(yōu)良的滅火性能，具有物理降溫和化學抑制聯合作用機理。
圖3 干水滅火劑滅火機理
干水作為一種固體滅火劑，其制備方法主要有3種：震動粉碎法、攪拌反應法、液滴霧化法。有諸多學者對基礎干水進行了改進。例如增強其保水性、流動性以及充裝性能等。
對于干水材料的滅火性能：與水相比，由于干水中的水被束縛在殼體內部，減少了水漬污染及二次污染；與干粉滅火劑相比，含有磷酸二氫銨或碳酸氫鈉的干水滅火材料除了具有化學滅火作用外，還具有較強的物理冷卻作用。因此干水具有水和干粉的綜合優(yōu)點。
研究結論
對水凝膠滅火劑、全氟己酮滅火劑和干水滅火劑進行總結，并將抑制鋰電池火災的優(yōu)缺點匯總，如表3所示。
表3 新型滅火劑優(yōu)缺點分析
1）在滅火機理上，水凝膠滅火劑與其他兩種相比的特點在于可以形成保護膜，此保護膜不僅可以阻隔氧氣，還可以吸收熱量。全氟己酮滅火劑滅火機理不同之處在于化學抑制，滅火劑分子在高溫中一部分鍵會斷裂，與火焰燃燒過程中產生的活性自由基結合，阻斷燃燒的鏈式反應，起到化學抑制滅火功能。干水滅火劑的滅火機理與水凝膠相似，以阻隔氧氣和吸收熱量為主。
2）在滅火劑制備上，研究人員都在不斷完善與創(chuàng)新以增強滅火劑的滅火效果。對于水凝膠滅火劑，現有研究已經大大改善了傳統(tǒng)水凝膠滅火劑的缺陷，并且增強了水凝膠滅火劑的阻煙效果，大大減小了漏氣率。對于干水滅火劑，研究人員不僅對傳統(tǒng)干水進行完善，同時也將干水與其他滅火劑結合，增強其滅火性能。
3）在滅火效果上，水凝膠滅火劑可以有效抑制鋰離子電池火，并且可以阻止復燃以及火勢蔓延等，具有較好的滅火效果。全氟己酮滅火劑在低濃度時會促進火勢的發(fā)展，并且釋放一定的有毒氣體，隨著濃度的增加，開始發(fā)揮滅火效能。目前，干水滅火劑對已著火電池的撲滅無較好的滅火效果，但對周圍電池可以起到較好的保護作用。
作者介紹
李思成，工學博士，教授，中國人民警察大學防火工程學院院長。警察大學學術委員會委員，教育部消防工程專業(yè)虛擬教研室主任，中國土木工程學會工程防火技術分會副理事長，住房和城鄉(xiāng)建設部科學技術委員會建設工程消防技術專業(yè)委員會副主任委員，中國工程建設標準化協會建筑防火專業(yè)委員會副主任委員，消防工程教學指導委員會副主任委員，中國消防協會學術工作委員會秘書長。主要研究方向為建筑火災煙氣控制、水噴淋滅火、建筑火災預防與控制。
張淇厚，男，中國人民警察大學在讀研究生，目前以第一作者發(fā)表sci 1篇、中文核心1篇，發(fā)表實物新型專利1部。在讀期間獲一等獎學金一次，二等獎學金一次，多次參加科研競賽并獲獎。主要研究方向：鋰電池火災抑制及防控、建筑防煙排煙、高層建筑火災防治等。
本文轉自@消防科學與技術
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