| BIT |YS1000微乳液:锂电池火灾的高效克星

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锂电池通过复杂的化学反应将化学能转化为电能，为各种设备提供稳定的电力支持。但这种高效的能源存储方式却伴随着不容忽视的安全风险。近年来，电化学储能电站中由锂电池引发的火灾和爆炸事故呈逐年上升趋势，这些事故具有火势蔓延迅速、容易复燃、爆炸威力大等特点，给人员生命和财产安全带来了巨大威胁。

水，因其环保、冷却效率高且成本低廉，在消防领域应用广泛。细水雾技术作为水基灭火的重要手段，相较于传统的水喷射和喷雾方式，具有用水量少、绝缘性能好、对设备损害小等优点，特别适用于电气场所的火灾扑救。细水雾在接触火焰后，能够迅速汽化成水蒸气，一方面吸收大量热量，降低火焰温度；另一方面，水蒸气的膨胀会稀释火焰区域的氧气浓度，抑制燃烧反应。然而，单纯的细水雾在扑灭锂电池火灾时效果并不理想。为了提升细水雾的灭火性能，学者们开始研究在其中添加各种添加剂，本次研究的YS1000微乳液就是这一探索的成果之一。

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2.1 电池样本准备与模块布局

实验选用了32135型磷酸铁锂电池，其标称电压为3.2 V，标称容量为15 Ah。在实验前，通过NEWARECT-4008T电池测试系统对电池样本进行预处理，先以5 A的恒定电流放电至2 V，再以5 A电流充电至3.65 V，直至电流降至60 mA，最后将所有电池充电至100%SOC。

考虑到磷酸铁锂电池不易点燃，研究人员在电池模块中上部安装了2000J的电点火器，如图1(a)和1(b)所示，外部火花与电池模块上部距离约10cm。同时，布置了多个K型热电偶来监测温度，其中T₂-T₄用于测量电池#1-#3的表面温度，T₅和T₆安装在电池模块上中部上方20cm和38cm处监测火焰温度，T₁监测加热棒温度。加热棒升温速率设定为10℃·min^-1，最高温度为350℃。

图1 (a)热电偶和点火器的分布;(b)电池模块和加热块的分布。

2.2 灭火剂灭火机制表征

研究人员采用热重分析(TG-DSC-MS)技术，对YS1000微乳液的复合添加剂进行热行为分析，以确定其热分解过程。实验时，空气以50.0 mL·℃·min^-1的速度通入，温度以20℃·min^-1的速率上升，测试温度范围为20-800℃。

2.3 实验装置搭建

图2显示了灭火实验装置的示意图。整个实验装置由燃烧室、高压细水雾系统、排气系统、加热系统、气体采样系统、热电偶、数据记录仪和数字相机等组成。高压细水雾系统的喷头与电池模块距离为46cm，喷射角度60°，流量系数为0.22L·min^-1·Mpa^-0.5，在5.5MPa压力下，喷头流量为1.62L·min^-1，确保细水雾能完全覆盖电池模块火焰。

图2 细水雾系统实验装置示意图。

2.4 电池热失控抑制实验设计

实验设置了四种工况，空白燃烧实验用于观察电池热失控的自然传播过程。同时，对比了纯水、F-500添加剂和YS1000微乳液的灭火效果。YS1000微乳液通过滴定法制备，主要由含磷酸材料、水和其他添加剂组成。当任意电池温度达到300℃时，启动灭火系统，释放灭火剂30s。

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3.1 空白燃烧实验中的热传递过程

空白燃烧实验数据(如图3)显示，电池热失控传播会加剧火灾危险，热失控电池的加热功率远高于加热棒。在圆柱型磷酸铁锂电池模块中，火焰热辐射在热失控传播中起主导作用。例如，火焰产生的热辐射热量为15.06 kJ，而电池间热传导传递的热量仅为5.39 kJ，火焰热辐射传递的热量约为热传导的2.8倍。这表明对于圆柱型磷酸铁锂电池火灾，灭火剂的灭火能力与冷却效率同样重要。

图3 空白燃烧实验中电池间的传热。

3.2   YS1000微乳液的抑制效果

图4显示了当电池温度达到300℃并释放YS1000微乳液后，火焰温度迅速下降。但释放后电池温度出现反弹，可能增加复燃风险。在电池模块中，只有电池#2发生热失控。YS1000微乳液对电池#1和#3的短期降温速率分别达到1.7 ℃·s^-1和1.6 ℃·s^-1，有效抑制了热失控。然而，电池#2因处于热失控过程，产热大于微乳液冷却能力，温度仍在上升。

图4   (a)电池温度和火焰温度;（b）3000 s至4000 s的曲线放大。

3.3 YS1000微乳液的灭火机制

通过TG-DSC-MS技术分析发现，YS1000微乳液受热有两个失重阶段。第一阶段主要是水的汽化，失重率达97.2%，水的汽化吸收大量热，并置换空气中的氧气。如图5所示，当温度达到124.7 ℃时，微乳液分解产生磷酸，其热分解产物能捕捉火焰中的H・和OH・自由基，切断燃烧链反应，迅速扑灭电池气相火焰。

图5   YS1000微乳液分解对LFP电池模块火灾的灭火机理。

3.4 不同灭火剂的性能对比

图6(a)显示了四种工作条件下电池模块中经历TR 的电池数量、燃烧时间和灭火时间的结果 。对比纯水、F-500添加剂和YS1000微乳液的灭火性能发现，纯水无法有效控制电池模块火灾，所有电池均发生热失控。F-500添加剂虽能减少热失控电池数量，但灭火时间长达22s，且电池易开裂。而YS1000微乳液能在1s内扑灭火焰，约1-2个电池发生热失控。在散热能力方面，YS1000微乳液在灭火过程中，电池释放的热量仅为5.1kJ，远低于纯水的19.7kJ和F-500添加剂的10.0kJ，散热能力是纯水的1.7倍。相关的 TR 过程如图6(b)所示。与纯水相比，YS1000微乳具有更快、更有效的灭火效率，能有效抑制电池模组的热扩散。与国际先进的F-500添加剂相比，YS1000微乳具有更快的灭火速度和电池模块的完整性。

图6   (a)在情况1-4中经历TR的电池的数量、燃烧时间和灭火时间的结果;(b)在1-4情况下的TR演变。

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本次研究通过实验全面评估了 YS1000 微乳液在锂电池火灾抑制方面的性能。研究发现，圆柱型磷酸铁锂电池模块热失控时，火焰热辐射主导传播过程。YS1000 微乳液能迅速扑灭磷酸铁锂电池火灾，其灭火机制主要依靠高温分解产生的磷酸消除火焰中的自由基。在冷却效果上，YS1000 微乳液表现出色，电池释放热量大幅减少，散热能力显著提升。

综合来看，YS1000 微乳液在灭火性能、冷却能力、抑制热失控传播等方面表现优异，具有良好的综合性能，有望应用于电化学储能电站。不过，其冷却能力仍有提升空间，未来需开展大规模电池模块和方形电池的灭火实验，进一步验证其性能，并建立定量评估体系。

成果简介

该成果发表在Journal of Energy Storage期刊上。

Shuai Yuan, Kuo Wang, Chongye Chang, Jianqi Zhang, Jun Chen, Xinming Qian,.Inhibition effect and extinguishment mechanisms of YS1000 microemulsion for lithium iron phosphate battery fires.Journal of Energy Storage 89 (2024) 111698.

https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111698.

撰稿：郭冰玉

审稿：冀宇航

选自微信公众号 X燃爆科研工作室