鋰離子電池倉庫火災(zāi)滅火救援策略研究

高金墻

摘要：鋰電池倉庫火災(zāi)特征明顯不同于常規(guī)物質(zhì)火災(zāi)事故，滅火救援難度大，且可能產(chǎn)生爆炸性環(huán)境，需要針對性制定科學滅火救援策略和方案。因此，開展了鋰電池燃燒試驗，基于鋰電池燃燒試驗結(jié)果和火災(zāi)事故案例，解析了成品鋰電池倉庫火災(zāi)特點及滅火救援難點。結(jié)合鋰電池火災(zāi)機理，針對鋰電池倉庫火災(zāi)，提出了大量水滅火與強化排煙相結(jié)合的滅火救援策略。針對滅火救援過程中應(yīng)急供水和排煙難點，提出了強化火災(zāi)應(yīng)急供水能力和火場應(yīng)急排煙能力的方案，為大型鋰電池倉庫滅火救援提供參考。

關(guān)鍵詞：鋰電池火災(zāi)；倉庫；滅火救援；煙氣蔓延；應(yīng)急供水

中圖分類號：D631.6? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2023）09-0045-04

近年來，隨著電子信息行業(yè)的迅猛發(fā)展和電池工業(yè)的技術(shù)演變，市場對鋰離子電池的需求越來越大。鋰離子電池具有能量密度大、外觀體積小、循環(huán)壽命長、環(huán)境污染小等優(yōu)點，在智能手機、電子煙、智能穿戴電子產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。此外，動力鋰離子電池在電動汽車、儲能、新型電動工具等領(lǐng)域也具有廣闊應(yīng)用前景[1-3]。但鋰離子電池內(nèi)封裝的電解液具有易燃性，電解液蒸汽具有易爆特性，電池在生產(chǎn)、加工、儲存、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)容易因熱失控而自燃，引發(fā)火災(zāi)事故[4-5]。近年來陸續(xù)發(fā)生了多起鋰電池企業(yè)火災(zāi)事故，鋰電池行業(yè)消防安全形勢嚴峻。

帶電的鋰離子電池一旦發(fā)生短路、刺穿，極短時間內(nèi)就會發(fā)生熱失控，導致火災(zāi)甚至爆炸的發(fā)生。此外，過充、過放電等過程、電池外部溫度過高也會引起鋰離子電池熱失控。同時，溫度超過一定限度時，電池將自身釋放氧氣加劇火災(zāi)火勢，火災(zāi)發(fā)生時將產(chǎn)生大量易燃氣體和煙霧，撲救非常困難[6]。因此，鋰電池生產(chǎn)企業(yè)自身和消防安全監(jiān)管部門應(yīng)更加重視電池制造行業(yè)的火災(zāi)風險。

2016年5月31日，江蘇一電源生產(chǎn)企業(yè)鋰電池滿電態(tài)擱置倉庫發(fā)生爆炸事故。2016年7月10日，深圳市龍華區(qū)河背工業(yè)區(qū)一電子廠發(fā)生火災(zāi)并發(fā)生了局部爆炸，火災(zāi)共造成3名消防員和2名群眾受傷。2016年8月14日南京一化學新能源電池企業(yè)發(fā)生鋰電池火災(zāi)事故。

根據(jù)有關(guān)研究結(jié)果，鋰離子電池正極粉料高溫時具有釋放氧氣的特點，即磷酸鐵鋰（LFP）電池在800℃時釋放氧氣；鈷酸鋰（LCO）電池和鋰鎳鈷錳（三元材料NCM）電池在200℃時釋放氧氣[7-9]。鋰電池火災(zāi)特征明顯不同于常規(guī)物質(zhì)火災(zāi)事故，滅火救援難度大。

由于鋰電池行業(yè)企業(yè)特有的火災(zāi)風險特點，導致多數(shù)鋰電池企業(yè)火災(zāi)危險性大，且滅火救援困難。為了減少鋰電池火災(zāi)事故人員傷亡和財產(chǎn)損失，特別是避免滅火救援人員的傷亡，需要針對性制定科學滅火救援策略和方案。為此，開展了鋰電池燃燒試驗，基于鋰電池燃燒試驗結(jié)果和火災(zāi)事故案例，解析了成品鋰電池倉庫火災(zāi)特點及滅火救援難點。

結(jié)合鋰電池火災(zāi)機理，針對鋰電池倉庫火災(zāi)，提出了大量水滅火與強制排煙相結(jié)合的滅火救援策略。針對滅火救援過程中應(yīng)急供水和排煙難點，提出了強化火災(zāi)應(yīng)急供水能力和火場應(yīng)急排煙能力的方案。

1 鋰電池倉庫火災(zāi)特點分析

1.1? 鋰電池燃燒試驗

為了摸清鋰電池燃燒過程中的特點，根據(jù)試驗?zāi)繕酥贫嗽囼炗没鸨P，火盤由2個尺寸為28cm×36cm×10cm的長方體不銹鋼箱體底部連通而成，試驗時將熱電偶布設(shè)在火源上部的鋼絲網(wǎng)上。試驗過程中使用帶電鋰離子電池（50%SOC）作為試驗對象，分別采用5塊、7塊、12塊等電池數(shù)量作為試驗火源。著火盤尺寸與探測點布設(shè)見圖1。

采用外部火源引燃聚合物鋰離子電池，溫度升高至150℃后鋰電池開始燃燒，隨后火源燃燒加劇，黑色煙氣增多，火焰增強。當加熱至失控溫度時，鋰離子電池釋放出易燃氣體，火源呈現(xiàn)燃燒加劇現(xiàn)象，并伴有黑色煙霧。見圖2。

鋰電池受熱失控后，燃燒過程猛烈。溫度是鋰電池持續(xù)熱失控的主要因素。因此，對于鋰離子電池火災(zāi)的撲救應(yīng)側(cè)重于冷卻滅火的機理選擇滅火劑。軟包鋰離子電池火災(zāi)將產(chǎn)生大量的煙氣，鋰電池火災(zāi)滅火救援過程的排煙問題非常重要。

1.2? 鋰電池倉庫火災(zāi)特點

成品倉庫存放有大量的已充電鋰離子電池，由于電池數(shù)量眾多，個別劣質(zhì)電芯因短路發(fā)生熱失控燃燒，產(chǎn)生大量的熱量，引起周邊電芯溫度升高，發(fā)生更強烈的熱失控燃燒，從而形成電芯的連鎖熱失控燃燒反應(yīng)。當其中存有失控電池時，便可能引發(fā)火災(zāi)事故。當存在人為或電氣異常時也可能引發(fā)火災(zāi)事故。因此，成品倉發(fā)生火災(zāi)的可能性較一般區(qū)域大。

另一方面，成品倉庫存儲數(shù)量眾多，一旦火災(zāi)失控，火災(zāi)規(guī)模將可能非常大。部分企業(yè)倉庫防火分區(qū)面積大，倉庫總建筑面積大，倉庫內(nèi)存放的電池量非常大，危險性高。

電解液具有易燃特性，當電芯發(fā)生熱失控時，電解液會發(fā)生化學反應(yīng)并釋放出易燃性氣體混合物（主要成分為H2、C3H6、C2H4、CH4等），易燃氣體在空氣中很容易達到爆炸極限，形成爆炸環(huán)境。燃燒產(chǎn)生的大量高溫易燃氣體蔓延到周邊區(qū)域，導致溫度急劇升高，電芯發(fā)生連鎖熱失控燃燒，放出更大量的易燃性氣體，易燃氣體濃度達到爆炸極限，遇火源將會發(fā)生爆炸[10-12]。

鋰離子電池倉庫的火災(zāi)危險性突出表現(xiàn)為產(chǎn)煙量巨大、燃燒劇烈、火場溫度高、火災(zāi)蔓延迅速、易產(chǎn)生爆炸性氣體環(huán)境。煙氣產(chǎn)生情況見圖3。

1.3? 鋰電池倉庫火災(zāi)滅火救援難點分析

鋰電池外部正負極接觸形成短路或內(nèi)部短路，電芯發(fā)熱升溫；火災(zāi)外部高溫環(huán)境導致電芯升溫；升溫后電池內(nèi)部的電解液受熱分解釋放易燃氣體；達到氣體燃點后氣體燃燒，同時內(nèi)部的電解液和隔離膜被引燃。燃燒過程非常劇烈，火場控制火勢非常困難。

成品倉庫存儲鋰電池數(shù)量眾多，一旦火災(zāi)失控，火災(zāi)規(guī)?？赡軙浅４?。部分企業(yè)倉庫防火分區(qū)面積大，倉庫總建筑面積大，倉庫內(nèi)存放的電池量非常大，危險性極高。

鋰電池火災(zāi)的特點之一就是產(chǎn)煙量非常大。煙氣蔓延迅速，容易產(chǎn)生火災(zāi)的快速蔓延。倉庫建筑由于具有區(qū)別于一般建筑的特有結(jié)構(gòu)和空間特點，火災(zāi)時煙氣排放非常困難，同時加速了火災(zāi)在建筑物內(nèi)部的蔓延。因此，對于鋰電池倉庫火災(zāi)撲救，應(yīng)急排煙是滅火救援過程中的難點之一。

2 鋰離子電池倉庫火災(zāi)滅火救援策略

2.1? 火場供水滅火

基于鋰電池火災(zāi)試驗和燃燒機理，溫度是鋰電池持續(xù)熱失控的主要因素?？刂迫紵郎囟饶軌蛴行ё柚垢黝惙艧岱磻?yīng)。水的比熱容大，且取用方便，價格廉價，是控制鋰電池火災(zāi)較為適用的滅火劑。

盡管鋰離子電池過充、過放電時會有析鋰現(xiàn)象，但存在的鋰金屬是非常少量的，極少量的鋰金屬與水反應(yīng)，釋放出H2。極少量的鋰金屬與水反應(yīng)是用水滅火的副反應(yīng)，但相較于大量水的冷卻降溫效果，水撲滅鋰電池火災(zāi)的效果仍是明顯的。

為此，開展了用水滅火的驗證試驗，將著火的鋰電池用夾具扔入水箱中，火焰及時撲滅，燃燒終止。驗證了可將單個或幾個電芯著火可以將著火電芯放入水箱中處置。

2.2? 應(yīng)急排煙防爆

鋰電池燃燒時，電池內(nèi)部的電解液會發(fā)生裂解等化學反應(yīng)并釋放出易燃性氣體混合物。因此，易燃氣體在空氣中很容易達到爆炸極限，形成爆炸環(huán)境。

分析鋰電池火災(zāi)事故，發(fā)生閃爆事故的案例也充分證實了鋰電池火災(zāi)有可能形成爆炸性氣體環(huán)境。滅火救援過程中，必須設(shè)法破壞鋰電池火場可能產(chǎn)生的爆炸性氣體環(huán)境。良好通風，及時將燃燒產(chǎn)生的烴類氣體和電解液蒸汽排出著火建筑物，是防范發(fā)生燃爆次生事故的根本保障。

鋰電池火災(zāi)的特點之一就是產(chǎn)煙量非常大。煙氣蔓延迅速，容易產(chǎn)生火災(zāi)的快速蔓延。同時，外部滅火救援力量很難準確撲救內(nèi)部火災(zāi)、排煙困難，滅火救援非常困難。

2.3? 火場供水與應(yīng)急排煙方案

批量的鋰離子電芯或電池著火燃燒需要用大量水撲救處置，因此對于消防供水能力需求較高。對于著火部位，可采用流量160L/s、射程120m以上的超大流量滅火消防車，增加著火部位的應(yīng)急滅火用水。

鑒于目前多數(shù)地區(qū)市政供水能力受限的現(xiàn)狀，不能滿足火場多點高強度供水滅火的應(yīng)急供水能力需求，預(yù)先規(guī)劃建設(shè)應(yīng)急取水點，配置遠程供水系統(tǒng)，補充市政供水能力的缺口，是解決火場應(yīng)急供水能力不足的有效方案。

目前，部分工業(yè)建筑前期設(shè)計階段，排煙系統(tǒng)設(shè)計不合理，導致實際排煙效果不佳，無法提供有效的滅火救援撲救場地，將嚴重影響該類場所的滅火救援效率。破拆形成排煙和事故通風條件，采用大功率移動鼓風機強行排煙和事故通風，破除受限空間的爆炸性環(huán)境。

開展火情探測，判定火災(zāi)發(fā)展階段。根據(jù)火場火情和火災(zāi)發(fā)展階段選擇局部內(nèi)攻或外部壓制的滅火救援策略。實時研判爆炸性條件，及時作出撤離的戰(zhàn)術(shù)安排。及時獲取準確火場信息，制定科學滅火救援策略，減少人員傷亡[13-16]。

3 結(jié)語

第一，溫度是鋰電池持續(xù)熱失控的主要因素。控制燃燒溫度能夠有效阻止各類放熱反應(yīng)。水的比熱容大，且取用方便，價格廉價，是控制鋰電池火災(zāi)較為適用的滅火劑。批量的鋰離子電芯或電池著火燃燒需要用大量水撲救處置，因此對于消防供水能力需求較高。良好通風，及時將燃燒產(chǎn)生的烴類氣體和電解液蒸汽排出著火建筑物，是防范發(fā)生燃爆次生事故的根本保障。

第二，鋰離子電池火災(zāi)產(chǎn)生大量的煙，特別是在倉庫或車間等通風條件不良區(qū)域，電解液和隔離膜發(fā)生不完全燃燒，產(chǎn)生大量的黑色煙霧。燃燒時也會產(chǎn)生爆炸性白色電解液蒸汽。防止鋰電池火災(zāi)發(fā)生爆炸或爆燃事故的重要措施為加強應(yīng)急排煙，將火災(zāi)時鋰電池釋放出的易燃氣體及時排出，將室內(nèi)空間易燃氣體濃度控制在爆炸下限以下。

第三，對于鋰電池倉庫火災(zāi)，應(yīng)及時采用大流量消防車供水滅火并破拆形成排煙和事故通風條件，采用大功率移動鼓風機強行排煙和通風，破除受限空間的爆炸性環(huán)境。開展火情探測，判定火災(zāi)發(fā)展階段。根據(jù)火場火情和火災(zāi)發(fā)展階段選擇局部內(nèi)攻或外部壓制的滅火救援策略。實時研判爆炸性條件，及時作出撤離的戰(zhàn)術(shù)安排。及時獲取準確火場信息，制定科學滅火救援策略，減少人員傷亡，實現(xiàn)科學救援。

參考文獻：

[1]程東浩，李琰.飛機客艙鋰電池火災(zāi)應(yīng)急箱的設(shè)計[J].消防科學與技術(shù)，2018，37（4）：517-519.

[2]張少禹，董海斌，李毅，等.動力鋰離子電池熱失控火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ脱芯縖J].消防科學與技術(shù)，2018，37（3）：397-400.

[3]馬瑛.手機鋰電池防火技術(shù)探究[J].武警學院學報，2018，34（2）：58-62.

[4]張磊，張永豐，黃昊，等.熱過載鋰電池失控特性及其早期探測模式研究[J].消防科學與技術(shù)，2018，37（1）：55-58.

[5]周會會，宋鵬，蘇文彬.鋰離子電池火災(zāi)的滅火技戰(zhàn)術(shù)研究[J].武警學院學報，2017，33（12）：30-33.

[6]姜連瑞，李夢雨.鋰電池火災(zāi)撲救戰(zhàn)術(shù)方法研究[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2017（12）：33-36.

[7]柯錦城，楊旻，謝寧波，等.鋰電池電動汽車滅火救援技術(shù)探討[J].消防科學與技術(shù)，2017，36（12）：1725-1727.

[8]張磊，張永豐，黃昊，等.抑制鋰電池火災(zāi)滅火劑技術(shù)研究進展[J].科技通報，2017，33（8）：255-258.

[9]余建榮，康克上.鋰離子電池火災(zāi)分析及火災(zāi)撲救對策研究[J].化學工程與裝備，2017（6）：283-284.

[10]周天，趙暉.鋰離子電池生產(chǎn)火災(zāi)危險性及防范對策[J].消防科學與技術(shù)，2017，36（5）：716-720.

[11]張青松，秦帥星，羅星娜，等.空運鋰離子電池熱解氣體探測效果對比分析[J].消防科學與技術(shù)，2017，36（3）：352-355.

[12]賀元驊，孫強，陳現(xiàn)濤，等.鋰電池熱失控火災(zāi)與變動環(huán)境熱失控實驗[J].消防科學與技術(shù)，2017，36（1）：27-31.

[13]代旭日，何寧.鋰電池火災(zāi)特點及處置對策[J].消防科學與技術(shù)，2016，35（11）：1616-1619.

[14]羅星娜，張青松，戚瀚鵬，等.空運鋰離子電池火災(zāi)探測方法研究[J].消防科學與技術(shù)，2015，34（9）：1198-1201.

[15]高飛，楊凱，李大賀，等.鋰離子電池組件燃燒性及危險性評價[J].中國安全科學學報，2015，25（8）：62-67.

[16]汪書蘋，高飛，武海澄，等.電動汽車充換電站火災(zāi)燃燒模擬試驗研究[J].中國安全科學學報，2015，25（6）：68-73.

Research on fire fighting and rescue strategy of lithium-ion battery warehouse fire

Gao Jinqiang

（Guangdong Construction Engineering Quality and Safety Inspection Station Co.， Ltd.， Guangdong Guangzhou 510530）

Abstract： The fire characteristics of lithium battery warehouses are obviously different from conventional material fire accidents. It is difficult to extinguish and rescue， and an explosive environment may be generated. Therefore， a lithium battery combustion test is carried out. Based on the results of lithium battery combustion test and fire accident cases， the fire characteristics of finished lithium battery warehouses and the difficulties of fire extinguishing and rescue are analyzed. Combined with the lithium battery fire mechanism， for the lithium battery warehouse fire， a fire extinguishing and rescue strategy combining a large amount of water fire extinguishing and enhanced smoke exhaust is proposed. Aiming at the difficulties of emergency water supply and smoke exhaust in the process of fire fighting and rescue， a plan to strengthen the emergency water supply capacity and the emergency smoke exhaust capacity of the fire site is proposed， which provides references for the fire fighting and rescue of large lithium battery warehouses.

Keywords： lithium battery fire; warehouse; fire fighting and rescue; smoke spread; emergency water supply