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动力电池起火,可以用七氟丙烷灭火吗用哪种灭火剂效果较好

编辑:深圳市瑞泰来科技有限公司    添加时间:2019-06-23

最近特斯拉和蔚来汽车的各两次自燃事故进一步加重了人们对电动汽车和动力电池安全性的顾虑。作为电池安全相关从业人员,个人反倒认为消费者有顾虑是件好事,因为无论是电动车还是动力电池,从技术层面确实还有很多有待完善和提高的地方,可以倒逼车企和电池企业努力把技术做好。

动力电池起火后该如何灭火是个非常有意思的话题。自燃事故后蔚来汽车提醒消费者:”如果发现电池冒烟着火,请在确保人员安全后报火警119,并且以大量的水对起火烧穿破损位置进行喷淋。由于电池是无氧燃烧,只有通过大量的水降温才可以阻燃,一般的干粉或泡沫灭火器无法阻止电池燃烧“。笔者所在的动力电池企业和所接触到的测试机构一般都会准备沙子或者干粉灭火剂,在动力电池单体起火条件下直接用二者进行灭火;对于已经做完了安全测试但没有发生热失控的电池,直接进行泡水处理;对于模组或者电池包,在疑似会发生热失控条件下最常用、最好用的办法就是直接泡水。企业用以上方式对电池进行灭火,学术界又是怎么理解的呢?

中科大火灾科学实验室的孙金华/王青松团队在锂离子电池火灾领域浸淫多年,蜚声海内外。去年11月,王青松团队在《储能科学与技术》电池安全性专刊发表题为”多种灭火剂扑救大容量锂离子电池火灾的实验研究“的研究论文,系统对比了多种灭火剂对38AhNCM333体系动力电池着火扑灭的效果。结果显示虽然ABC干粉、七氟丙烷(HFC)、水、全氟己酮和CO2灭火剂都能快速灭火,但使用CO2灭火剂电池可能会发生复燃的现象。更重要的是以上灭火剂中水对电池降温的效果最为明显。

图文浅析:

表1.电池物性参数

实验使用的电池容量38Ah,NCM333体系的方形电池。通过功率为300W的大功率加热管将电池加热至热失控。由于考虑的是动力电池在电池储能柜中起火后的灭火情况,作者使用的实验装置如图2所示。电池储能柜外尺寸为1.3m*1.0m*2.0m,前部设有两道防爆门,电池布置好后防爆门可以锁死以防意外。具体测试时电池、加热管和火探管上均布置了热电偶用以监测温度变化。当温度达到一定值,火探管熔化破裂,灭火装置开始作用。

表2.五种灭火剂相关信息

实验中作者主要考查了五种灭火剂(HFC-227ea、CO2、ABC干粉、水、全氟己酮)的灭火效果,具体如表2所示。水和CO2的灭火原理大家都比较了解,不细表。ABC干粉灭火剂一般是由灭火基料(如小苏打、碳酸铵、磷酸的铵盐等)和适量润滑剂(硬脂酸镁、云母粉、滑石粉等)、少量防潮剂(硅胶)混合后共同研磨制成的细小颗粒,用二氧化碳作喷射动力。灭火时靠加压气体二氧化碳或氮气的压力将干粉从喷嘴射出,形成一股夹着加压气体的雾状粉流,射向燃烧物。干粉中碳酸氢钠等受高温作用分解,该反应是吸热反应,反应放出大量的二氧化碳和水,水受热变成水蒸气并吸收大量的热量,起到冷却、稀释可燃气体的作用;干粉进入火焰后,由于干粉的吸收和散射作用,减少火焰对燃料的热辐射,降低液体的蒸发速率。七氟丙烷(HFC-227ea)和全氟己酮灭火剂都是为取代对大气层有破坏作用的哈龙灭火剂(卤代烷类)而开发的,兼具物理灭火和化学灭火的作用:物理灭火在于灭火剂喷出时为液态,受热气化会吸收热量,降低火焰温度;化学灭火在于该类物质分子中都含有F元素,F元素有一定的捕获燃烧中活性基H+、OH-的能力,从而阻断燃烧链。由于有无残留的优点,七氟丙烷(HFC-227ea)和全氟己酮灭火剂多用于电子机房、图书馆、档案馆等场所。

图2.七氟丙烷(HFC-227ea)灭火过程

图3.CO2灭火过程

图2和图3示例展示了七氟丙烷和CO2灭火剂的整个灭火过程。可以看到加热管加热后电池受热鼓胀,随后防爆阀打开喷射射流火,同时伴随着浓烟的释放。区别在于七氟丙烷能完全灭火,而CO2灭火作用后电池又出现了复燃现象。本实验中灭火剂释放点距火焰上方高度仅3cm,且灭火剂的作用时间为13s左右,近距离的冲击窒息作用可以很快将火焰扑灭。笔者做过大量的电池安全性测试,电池热失控时喷射的火焰温度高达1000℃以上,电池内部通红可见,电池表面温度也会高达数百摄氏度,并且对于三元类动力电池而言镍含量越高燃烧过程持续的时间相对越短。如果灭火不是很充分、电池内部温度依然很高,灭火剂作用后电池出现复燃也是极有可能的,如本实验中CO2灭火剂作用后所出现的复燃情况。

表3.五种灭火剂灭火效果对比

表3对比了五种灭火剂的灭火效果。除了CO2灭火剂出现了复燃现象外,其他四种灭火剂均未出现复燃,且火焰扑灭时间均小于2s。从响应时间上看,七氟丙烷和CO2灭火剂的响应时间仅用1s,ABC干粉灭火剂响应时间最长需要3s。CO2灭火剂作用后电池出现复燃,复燃时间长达58s。

图4.不同灭火剂作用过程电池表面温度变化

表4.不同灭火剂作用特征参数

灭火剂作用不仅要快速扑灭火焰,还要能迅速降低电池表面温度防止复燃现象的发生。从图4和表4结果看,上述五种灭火剂中水的降温效果最为突出,远不同于其他四种灭火剂。从降低电池表面温度效果来看,优劣依次为水>全氟己酮>HFC>ABC干粉>CO2。水有着较高的比热容,气化过程能吸收大量的热量,因此灭火效果较好。

小结:遇到电池单体或电动汽车起火,在没有其他更好灭火措施条件下,直接大量喷水灭火确实不失为一种较好的灭火方式,但也要避免水给周围的其他物体带来影响。

刘昱君,段强领,黎可,陈昊东,王青松.多种灭火剂扑救大容量锂离子电池火灾的实验研究.储能科学与技术,2018,7(6):1105-1112.

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