水凝胶对磷酸铁锂电池灭火实验性能

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0279

摘要/Abstract

摘要：

水系灭火剂因兼具比热容高和隔绝性强的特点，在对锂电池火灾的扑灭过程中相对于其他灭火剂更为高效，然而传统水系灭火剂的保水以及附着能力有待进一步提高。本工作报道一种使用羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose)与氯化铝(AlCl₃)溶液混合制备的水凝胶络合物灭火剂。温度敏感性研究表明：凝胶分子的亲水性使其表现出保水性强和附着力高的特点，且在低温时有较好的流动性，高温又表现出足够的黏性，在方便使用的同时，又增加了锂电池全面降温效果。为探究水凝胶灭火剂的灭火性能，对磷酸铁锂电池组(LIBs)展开燃烧实验，通过对水凝胶灭火剂使用与否两种情况下的火焰图像、电池高度、燃烧温度等燃烧特性参数进行分析，对水凝胶灭火剂的灭火效果做出评估。结果表明：在喷射灭火剂后，电池组温度迅速降低至热失控温度200 ℃以下；水凝胶灭火剂对射流火焰有一定限制作用，且可以阻碍多个电池间热量传递；在使用水凝胶灭火剂后，电池均未发生复燃，说明水凝胶对锂电池火灾具有较好的灭火效果。

关键词: 锂电池, 水凝胶, 火灾, 热失控

Abstract:

Water-based fire-extinguishing agents are used to extinguish lithium-battery fires with high specific-heat capacity and strong isolation. However, the water retention and adhesion capacity of traditional water extinguishing agents need to be improved. A hydrogel complex fire-extinguishing agent prepared by mixing Carboxymethyl Cellulose with AlCl₃ can solve this problem. Temperature-sensitivity studies show that the gel molecules exhibit strong water retention and adhesion, giving the agent good fluidity at low temperatures and enough viscosity at high temperatures. This phenomenon increases the overall cooling effect of lithium batteries. To explore the fire-extinguishing effect of hydrogel agents, we conducted a combustion experiment on lithium-ion battery (LIB) packs. In this study, the fire-extinguishing effect of the hydrogel agent was evaluated by analyzing the flame image, flame height, and battery temperature in cases where the hydrogel agent was used and when it was not used. The results show that the temperature of the battery packs reduced below 200 ℃ after spraying. The hydrogel agent has a certain restrictive effect on the jet flame and can hinder the heat transfer between multiple batteries; after the use of the hydrogel agent, the batteries did not reignite, indicating that the hydrogel has a good fire-extinguishing effect on LIB fire.

Key words: lithium batteries, hydrogels, fire, thermal runaway

中图分类号:

X 932

陆剑心, 张英, 马出原, 邓康, 雷春英. 水凝胶对磷酸铁锂电池灭火实验性能[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2637-2644.

Jianxin LU, Ying ZHANG, Chuyuan MA, Kang DENG, Chunying LEI. Study on fire-extinguishing performance of hydrogel on lithium-iron-phosphate batteries[J]. Energy Storage Science and Technology, 2022, 11(8): 2637-2644.

图/表 15

表1

图1

表2

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

参考文献 15

1	PING P, WANG Q S, HUANG P F, et al. Study of the fire behavior of high-energy lithium-ion batteries with full-scale burning test[J]. Journal of Power Sources, 2015, 285: 80-89.
2	MIKOLAJCZAK C, KAHN M, WHITE K, et al. Lithium-ion fire hazard gap analysis[M]//Lithium-ion batteries hazard and use assessment. Boston, MA: Springer US, 2011: 105-114.
3	WANG Q S, MAO B B, STOLIAROV S I, et al. A review of lithium ion battery failure mechanisms and fire prevention strategies[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2019, 73: 95-131.
4	卓萍, 高飞, 路世昌. 不同灭火装置对磷酸铁锂电池模组火灾的灭火效果[J]. 消防科学与技术, 2022, 41(2): 152-156.
	ZHUO P, GAO F, LU S C. Study on fire extinguishing effect of different fire extinguishing devices on lithium-ion phosphate battery module fire[J]. Fire Science and Technology, 2022, 41(2): 152-156.
5	李毅, 于东兴, 张少禹, 等. 典型锂离子电池火灾灭火试验研究[J]. 安全与环境学报, 2015, 15(6): 120-125.
	LI Y, YU D X, ZHANG S Y, et al. On the fire extinguishing tests of typical lithium-ion battery[J]. Journal of Safety and Environment, 2015, 15(6): 120-125.
6	刘昱君, 段强领, 黎可, 等. 多种灭火剂扑救大容量锂离子电池火灾的实验研究[J]. 储能科学与技术, 2018, 7(6): 1105-1112.
	LIU Y J, DUAN Q L, LI K, et al. Experimental study on fire extinguishing of large-capacity lithium-ion batteries by various fire extinguishing agents[J]. Energy Storage Science and Technology, 2018, 7(6): 1105-1112.
7	王铭民, 姚效刚, 郭鹏宇, 等. 各类灭火剂对磷酸铁锂电池模块火灾适用性研究[C/OL]//.全国第四届“智能电网”会议论文集. 2019: 205-208.[2021-01-07]. https://cpfd.‍cnki.‍com.‍cn/Article/CPFDTOTAL-GWDT201912001050.html.
	WANG M M, YAO X G, GUO P Y, et al. Study on fire applicability of various fire extinguishing agents to lithium iron phosphate battery module [C/OL]//Proceedings of the 4thNational "Smart Grid" Conference, 2019:205-208.[2021-01-07]. https://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-GWDT201912001050.html.
8	朱明星, 朱顺兵, 罗炜涛. 含表面活性剂细水雾抑制锂离子电池火灾研究[J]. 消防科学与技术, 2018, 37(6): 799-803.
	ZHU M X, ZHU S B, LUO W T. Study on fire suppression of lithium batteries with surfactant water mist[J]. Fire Science and Technology, 2018, 37(6): 799-803.
9	张青松, 程相静, 白伟. 细水雾添加剂抑制锂电池火灾最佳浓度研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2018, 14(5): 43-50.
	ZHANG Q S, CHENG X J, BAI W. Study on optimum concentration of additives in water mist for suppression of lithium battery fire[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2018, 14(5): 43-50.
10	冯晓琦. 改性高分子吸水灭火剂的制备及在灭火方面的应用[D]. 太原: 太原理工大学, 2012.
	FENG X Q. The preparation of a modified superabsorbent extinguishing agent and its application in extinguishing fire[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2012.
11	刘延平. 温敏性水凝胶的合成及相变机理[D]. 青岛: 青岛科技大学, 2012.
	LIU Y P. Synthesis and phase transition mechanism of temperature-sensitive hydrogel[D]. Qingdao: Qingdao University of Science & Technology, 2012.
12	闫伟阳, 潘旭海, 汪志雷, 等. 高压氢气泄漏自燃形成喷射火的实验研究[J]. 爆炸与冲击, 2019, 39(11): 134-143.
	YAN W Y, PAN X H, WANG Z L, et al. Experimental investigation on spontaneous combustion of high-pressure hydrogen leakage to form jet fire[J]. Explosion and Shock Waves, 2019, 39(11): 134-143.
13	段强领. 高压氢气泄漏自燃机理及其火焰传播特性实验研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2016.
	DUAN Q L. Experimental study of spontaneous ignition and subsequent flame propagation of high-pressure hydrogen release[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2016.
14	ZHU M X, ZHU S B, GONG J H, et al. Experimental study on fire and explosion characteristics of power lithium batteries with surfactant water mist[J]. Procedia Engineering, 2018, 211: 1083-1090.
15	FU Y Y, LU S, LI K Y, et al. An experimental study on burning behaviors of 18650 lithium ion batteries using a cone calorimeter[J]. Journal of Power Sources, 2015, 273: 216-222.

时间	事故描述	造成后果
2019年4月21日	上海徐汇区，特斯拉电池热失控导致燃烧	造成旁边数辆汽车引燃
2020年8月20日	福建省三明市，电动汽车充电时发生爆炸	引起充电桩烧毁，造成2人轻伤
2021年5月10日	四川成都成华区，电动自行车起火	导致5人受伤
2021年4月16日	北京丰台区，储能电站爆炸	1人遇难、2名消防员牺牲、1名消防员受伤
2021年9月12日	重庆市通州区，电动车充电引发火灾	导致5人死亡
2021年11月4日	海口市琼山区，电动汽车过充导致起火	引起周围十余辆电动汽车燃烧
2022年2月8日	上海市普陀区，锂电池爆炸引发火灾	导致3人死亡
2022年2月12日	沈阳市皇姑区，纯电大型新能源客车爆炸	导致1人死亡，2人重伤，40人轻伤

[1]	尹涛, 贾隆舟, 常修亮, 戴作强, 郑莉莉. 软包磷酸铁锂电池高电压浮充后热安全研究[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2546-2555.
[2]	王洋, 卢旭, 张宇新, 刘龙. 动力电池热失控排气策略[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2480-2487.
[3]	张青松, 赵洋, 刘添添. 荷电状态和电池排列对锂离子电池热失控传播的影响[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2519-2525.
[4]	喻航, 张英, 徐超航, 余思瀚. 锂电储能系统热失控防控技术研究进展[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2653-2663.
[5]	钟健平, 费韬. 基于WOA-BPNN的锂电池极片涂布缺陷检测识别[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2537-2545.
[6]	许磊, 刘晓鹏, 王勇俞. 全尺寸预制舱式储能柜热失控早期征兆分析[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2463-2470.
[7]	石爽, 吕娜伟, 马敬轩, 尹康涌, 孙磊, 张宁, 金阳. 不同类型气体探测对磷酸铁锂电池储能舱过充安全预警有效性对比[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2452-2462.
[8]	蔡兴初, 朱一鸣, 姜可尚, 席旭峰, 张艺超, 林惟实. 全氟己酮气体灭火系统在磷酸铁锂电池储能预制舱的应用[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2497-2504.
[9]	卓萍, 朱艳丽, 齐创, 王聪杰, 高飞. 锂离子电池组过充燃烧爆炸特性[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2471-2479.
[10]	张越, 孔得朋, 平平. 液冷板抑制锂离子电池组热失控蔓延性能及优化设计[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2432-2441.
[11]	徐成善, 鲁博瑞, 张梦启, 王淮斌, 金昌勇, 欧阳明高, 冯旭宁. 储能锂离子电池预制舱热失控烟气流动研究[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2418-2431.
[12]	宋来丰, 梅文昕, 贾壮壮, 王青松. 绝热条件下280 Ah大型磷酸铁锂电池热失控特性分析[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(8): 2411-2417.
[13]	申晓宇, 岑官骏, 乔荣涵, 朱璟, 季洪祥, 田孟羽, 金周, 闫勇, 武怿达, 詹元杰, 俞海龙, 贲留斌, 刘燕燕, 黄学杰. 锂电池百篇论文点评（2022.4.1—2022.5.31）[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2007-2022.
[14]	黄鹏, 聂枝根, 陈峥, 舒星, 沈世全, 杨继鹏, 申江卫. 基于优化Elman神经网络的锂电池容量预测[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2282-2294.
[15]	张肖洒, 王宏源, 李振彪, 夏志美. 废旧磷酸铁锂电池电极材料的硫酸化焙烧-水浸新工艺[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2066-2074.