抑制鋰離子電池火災(zāi)的新型滅火劑研究進(jìn)展

張淇厚1, 李思成2*, 劉佳玲1

　?。?.中國(guó)人民警察大學(xué)研究生院，河北廊坊065000；2.中國(guó)人民警察大學(xué)防火工程學(xué)院，河北廊坊065000）

摘要：介紹鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，分析鋰離子電池?zé)崾Э氐挠|發(fā)方式，重點(diǎn)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(jī)理、滅火劑制備以及滅火性能，并且對(duì)其他正處于研究初期的新型滅火劑進(jìn)行了概括與展望。在此基礎(chǔ)上，對(duì)3種滅火劑的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)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(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；熱失控；滅火機(jī)理；水凝膠；全氟己酮；干水

基金項(xiàng)目：河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（22375418D）

研究意義

　　在“雙碳”背景下，我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè)飛速發(fā)展。鋰離子電池作為當(dāng)下新能源汽車動(dòng)力來(lái)源的主流選擇，鋰離子電池因自身的理化性質(zhì)，仍然存在一定的安全隱患。此類綜述在介紹現(xiàn)有新型滅火劑滅火機(jī)理、制作以及滅火性能的前提下，進(jìn)一步對(duì)之后滅火劑的研發(fā)做出展望，有助于推動(dòng)鋰電池的災(zāi)后應(yīng)急處理水平，為未來(lái)鋰電池滅火技術(shù)發(fā)展指明方向。

研究重點(diǎn)：三種新型滅火劑滅火機(jī)理、制備及滅火性能

1）水凝膠滅火劑

　　對(duì)于水凝膠滅火劑，其滅火機(jī)理主要為吸收熱量、阻止氧氣供應(yīng)以及削弱輔熱等三方面。使用水凝膠進(jìn)行滅火還可以有效阻止鋰電池、煤炭、灌木等易復(fù)燃物質(zhì)的火災(zāi)復(fù)燃。

　　對(duì)于水凝膠的制備，大多數(shù)采用攪拌機(jī)、反應(yīng)釜、干燥箱等設(shè)備。表1為國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于水凝膠制備所用材料、制備方法及創(chuàng)新點(diǎn)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(duì)鋰電池進(jìn)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(jī)理主要包括降溫冷卻、化學(xué)抑制以及隔絕氧氣3種形式，其滅火機(jī)理如圖2所示。

圖2 全氟己酮滅火機(jī)理

　　現(xiàn)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(jìn)行反應(yīng)，或者使環(huán)氧化合物異構(gòu)化的方法合成。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者對(duì)全氟己酮制備所用材料、方法及創(chuàng)新點(diǎn)匯總?cè)绫?所示。

表2 全氟己酮滅火劑制備匯總

　　目前大多數(shù)儲(chǔ)能電站在使用全氟己酮進(jìn)行火災(zāi)抑制，雖然其在低濃度時(shí)可能造成短期內(nèi)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(xì)水霧滅火劑不同，其結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有優(yōu)良的滅火性能，具有物理降溫和化學(xué)抑制聯(lián)合作用機(jī)理。

圖3 干水滅火劑滅火機(jī)理

　　干水作為一種固體滅火劑，其制備方法主要有3種：震動(dòng)粉碎法、攪拌反應(yīng)法、液滴霧化法。有諸多學(xué)者對(duì)基礎(chǔ)干水進(jìn)行了改進(jìn)。例如增強(qiáng)其保水性、流動(dòng)性以及充裝性能等。

　　對(duì)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(nèi)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(xué)滅火作用外，還具有較強(qiáng)的物理冷卻作用。因此干水具有水和干粉的綜合優(yōu)點(diǎn)。

研究結(jié)論

　　對(duì)水凝膠滅火劑、全氟己酮滅火劑和干水滅火劑進(jìn)行總結(jié)，并將抑制鋰電池火災(zāi)的優(yōu)缺點(diǎn)匯總，如表3所示。

表3 新型滅火劑優(yōu)缺點(diǎn)分析

　　1）在滅火機(jī)理上，水凝膠滅火劑與其他兩種相比的特點(diǎn)在于可以形成保護(hù)膜，此保護(hù)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(jī)理不同之處在于化學(xué)抑制，滅火劑分子在高溫中一部分鍵會(huì)斷裂，與火焰燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的活性自由基結(jié)合，阻斷燃燒的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，起到化學(xué)抑制滅火功能。干水滅火劑的滅火機(jī)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(qiáng)滅火劑的滅火效果。對(duì)于水凝膠滅火劑，現(xiàn)有研究已經(jīng)大大改善了傳統(tǒng)水凝膠滅火劑的缺陷，并且增強(qiáng)了水凝膠滅火劑的阻煙效果，大大減小了漏氣率。對(duì)于干水滅火劑，研究人員不僅對(duì)傳統(tǒng)干水進(jìn)行完善，同時(shí)也將干水與其他滅火劑結(jié)合，增強(qiáng)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(fù)燃以及火勢(shì)蔓延等，具有較好的滅火效果。全氟己酮滅火劑在低濃度時(shí)會(huì)促進(jìn)火勢(shì)的發(fā)展，并且釋放一定的有毒氣體，隨著濃度的增加，開(kāi)始發(fā)揮滅火效能。目前，干水滅火劑對(duì)已著火電池的撲滅無(wú)較好的滅火效果，但對(duì)周圍電池可以起到較好的保護(hù)作用。

作者介紹

　　李思成，工學(xué)博士，教授，中國(guó)人民警察大學(xué)防火工程學(xué)院院長(zhǎng)。警察大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，教育部消防工程專業(yè)虛擬教研室主任，中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)工程防火技術(shù)分會(huì)副理事長(zhǎng)，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)委員會(huì)建設(shè)工程消防技術(shù)專業(yè)委員會(huì)副主任委員，中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)建筑防火專業(yè)委員會(huì)副主任委員，消防工程教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)副主任委員，中國(guó)消防協(xié)會(huì)學(xué)術(shù)工作委員會(huì)秘書長(zhǎng)。主要研究方向?yàn)榻ㄖ馂?zāi)煙氣控制、水噴淋滅火、建筑火災(zāi)預(yù)防與控制。

　　張淇厚，男，中國(guó)人民警察大學(xué)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(shí)物新型專利1部。在讀期間獲一等獎(jiǎng)學(xué)金一次，二等獎(jiǎng)學(xué)金一次，多次參加科研競(jìng)賽并獲獎(jiǎng)。主要研究方向：鋰電池火災(zāi)抑制及防控、建筑防煙排煙、高層建筑火災(zāi)防治等。

本文轉(zhuǎn)自@消防科學(xué)與技術(shù)

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