一种水气复合的锂离子电池火灾控制方法与流程

本发明属安全技术领域中锂离子电池火灾抑制领域，特别涉及一种水气复合的锂离子电池火灾控制方法。

背景技术：

近年来，由于锂离子电池具有高能量密度、循环寿命长、环境友好、自放电小等优点而被广泛应用于储能电站，消费电子和新能源汽车等领域。目前，我国锂离子电池及锂系电动汽车的保有量呈现出逐年上升趋势，在未来一段时间内，锂离子电池是新能源行业支柱产业的地位不会动摇。但是锂离子电池在一些滥用情况下非常危险，容易发生着火及爆炸。由于电池组中电池排列紧密，一个单体电池热失控后，如果不能及时有效的灭火降温，锂电池火灾将迅速发展，引起整个电池组的热失控连锁反应，进而发生大规模的火灾或爆炸事故，造成巨大的经济损失甚至人员伤亡。因此，发展能够有效扑灭电池火，抑制锂电池热失控传播的灭火方法具有重要的意义。

目前，适用于锂离子电池火灾的消防技术较少，且现有的灭火方法效果较差，有着很大的不足和缺陷。目前现有的锂电池灭火方法主要为单一的气体灭火，如七氟丙烷和全氟己酮等灭火剂。它们能够捕获燃烧中的自由基，阻断链式反应，能很快的扑灭明火，但是它们的降温能力非常有限，无法降低电池内部温度。虽然外部没有明火，但电池内部的反应仍在进行，电池表面温度依旧非常高，会继续给邻近的电池传热，诱发邻近的电池热失控，造成电池组的热失控连锁反应，无法有效的控制锂电池火灾。细水雾由于具有绿色环保，耗水量低，对保护对象危害较小，降温能力强等优点，可以用来扑灭锂离子电池火。细水雾由于颗粒较小，相对同样体积的水，其表面积剧增，从而加强了热交换的效能，起到了非常好的降温效果。但是颗粒较小也会使液滴难以穿透烟雾及羽流浮力而到达电池表面。因此单一的使用细水雾灭电池火也难取得很好的效果。李毅等人研究发现，在细水雾喷雾强度为2.5l/(min*m²)，喷头高度在2.4m的条件下，无法有效的抑制或扑灭18650型钴酸锂锂离子电池火灾。

本发明针对锂离子电池火灾的特点，提出了一种更为高效的灭火方法，即本灭火方法具备了快速灭火和冷却降温的功能，既能快速的熄灭明火，防止火焰的蔓延，又能降低电池温度，防止电池组内热失控连锁反应的发生，实现在锂离子电池火灾初期就可快速动作，防止电池火灾的进一步危害。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供水气复合的锂离子电池火灾控制方法，将气体灭火剂与细水雾灭火优势互补，提出了一种兼具快速灭火和冷却降温功能的灭火方法，填补了现有电池火灾消防技术的不足和缺陷。将电池火灾控制在可控范围内，防止电池火灾的进一步蔓延，降低人员和财产损失，提高电池组的安全性。

为了解决上述问题并实现上述目的，本发明的技术方案为：水气复合的锂离子电池火灾控制方法。本方法主要包括两部分，分别为气体灭火剂扑灭明火和细水雾冷却降温：气体灭火剂在锂离子电池热失控后立刻响应，高效地扑灭明火，同时减弱火焰产生的热浮力，降低烟雾浓度；待明火消失，烟雾浓度降低时释放细水雾，细水雾颗粒更容易到达锂离子电池表面，降低锂离子电池表面温度，冷却电池，从而防止电池组发生连锁热失控。

进一步的，气体灭火剂在锂电池发生热失控时响应；气体灭火剂具有窒息，化学抑制等特性，能够快速地扑灭明火，降低烟雾浓度，明火消失后，由火羽流产生的浮力减弱，同时降低电池内部反应速率。

进一步的，气体灭火剂应采用能快速熄灭明火的灭火剂，如七氟丙烷、全氟己酮灭火剂，它们能够捕获燃烧中的自由基，阻断链式反应，很快地扑灭明火，且不导电，不会引起电气火灾，对电池火有较好的抑制作用；或选用具有窒息，隔绝氧气作用的二氧化碳灭火剂等。这些灭火剂能快速的熄灭锂离子电池明火，且在环中保持适宜的灭火浓度，阻止电池发生复燃。

进一步的，气体灭火剂储存在储罐中，由压力驱动经雾化喷头喷出，对于全氟己酮灭火剂，本发明中选取氮气驱动，根据nfp2001标准，可根据工况的不同填充2.0～3.0mpa压力的氮气。喷头布置在电池模组内部，电池安全阀斜上方，减少火焰对喷头的损伤。灭火剂的用量根据不同的工况应不同，保证能扑灭明火。

由于水的蒸发潜热较大，细水雾颗粒比较小，粒径在10～200μm，热交换能力较强，具有非常好的降温效果且不会引起电气火灾，喷洒到电池表面能够快速冷却电池。

进一步的，由于细水雾颗粒较小，受羽流浮力的影响，细水雾颗粒很难到达电池表面。气体灭火剂释放后，明火被熄灭，热浮力减弱，同时全氟己酮还有降低烟雾浓度的能力，利于细水雾颗粒到达电池表面，降低电池温度，阻碍电池热失控的传播。

进一步的，细水雾装置可以是瓶组式也可以是泵组式，本发明中采用瓶组式，选取氮气驱动，经细水雾喷头喷出，喷头布置在电池模组内部，电池安全阀斜上方，喷头雾锥角较大，保证细水雾喷出后能覆盖电池组内的所有单体电池。水的用量、喷雾强度根据不同的工况应不同，保证能冷却电池，防止电池组发生连锁热失控。

进一步的，气体灭火剂在单体电池着火后即刻响应，扑灭明火，降低烟雾浓度。待电池模组内到达灭火浓度后，确保电池不会复燃，停止释放气体灭火剂。随后立刻释放细水雾，对电池组降温，防止电池组内发生热失控连锁反应。

本发明的优点：

1.本方法采用气体灭火剂与细水雾复合，使二者优势互补，弥补了使用单一灭火剂的不足，使其兼具高效灭火与冷却降温的功能；

2.本方法使用气体灭火剂能够快速地熄灭明火，防止火焰的蔓延，降低烟雾浓度及热浮力，为后续的降温提供便利；3.本方法采用细水雾对电池冷却降温，细水雾粒径小，换热能力强且对电池的影响很小，可以带走电池热失控产生的大量热量，从而防止电池组发生连锁热失控。

附图说明

图1为锂离子电池水气复合灭火装置图；

图2为锂离子电池布置图；

图3为空白燃烧实验电池表面温度和电压随时间变化关系图；

图4为水气复合灭火实验电池表面温度和电压随时间变化关系图；

图5为电池热失控质量损失图。

主要元件编号说明：

1：测试腔体

2：测试单元

3：灭火储罐

4：电磁阀

5：输送管路

6：喷头

7：夹具

8：隔热棉

9：加热片

10：锂离子电池

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本方法主要包括两部分，分别为气体灭火剂扑灭明火和细水雾冷却降温。

本灭火方法的主要实施过程如下：

如图1和图2所示，用加热片9作为热源，诱发锂离子电池10发生热失控，锂离子电池周围用隔热棉包裹，模拟模组内电池紧挨着，散热困难的场景，用夹具7固定电池，将隔热棉8、加热片9和电池束缚在一起，并防止电池鼓包。当锂离子电池10发生热失控后，安全阀处喷出射流火，气体灭火剂电磁阀4启动，灭火储罐3中的灭火剂受压力驱动，沿着输送管路5，经过喷头6喷洒在电池上，快速地熄灭明火。气体灭火剂应采用能快速熄灭明火的灭火剂，本方法中使用全氟己酮灭火剂，它能够捕获燃烧中的自由基，阻断链式反应，很快地扑灭明火，且不导电，不会引起电气火灾，对电池火有较好的抑制作用，同时全氟己酮能够降低烟雾浓度。明火消失后，气体灭火剂继续释放一段时间，使得模组内环境中气体灭火剂达到灭火浓度，电池不会发生复燃。随后关闭气体灭火剂的电磁阀，开启细水雾电池阀，细水雾在氮气的高压驱动下，沿着输送管路，经过喷头喷洒在电池上。此时烟雾浓度较小，且没有明火，热浮力较小，细水雾颗粒容易附着在电池表面。细水雾颗粒比较小，热交换能力较强，具有非常好的降温效果且不会引起电气火灾，喷洒到电池表面能够快速冷却电池，降低电池温度，阻碍了邻近电池之间的热传递，防止电池组发生连锁热失控反应。水的用量、喷雾强度根据不同的工况应不同。

为了验证水气复合的锂离子热失控灭火方法的效果，下面通过一个模拟实例进行分析。

实施案例一：

对标称容量为243ah的磷酸铁锂锂离子电池进行水气复合灭火实验，为验证水气复合灭火方法的效果，设计了完全燃烧的空白实验及水气复合的灭火实验进行对比分析。实验开始前，以0.1c倍率对样品电池进行三次循环，之后以0.1c倍率充电至100％soc。然后，以图二所示方法布置好，用500w加热片诱发热失控。空白燃烧试验不释放灭火剂，水气复合灭火实验在热失控后释放2分钟全氟己酮(2l)，扑灭明火并降低烟雾浓度。随后关闭气体灭火剂电磁阀，释放2分钟细水雾(1.3l)对电池冷却降温。比较两组实验的温度及质量变化。

如图3、图4所示，水气复合灭火实验能够快速地扑灭电池火，同时降低电池的表面温度。未施加灭火剂时，电池热失控后温度持续升高，其中侧面温度最高，达到525.5℃，电池正面上方和正极最高温度分别为490℃，485℃。全氟己酮释放后，明火被扑灭，但是电池内部反应剧烈，放出大量的热量，温度继续升高。随后细水雾释放，细水雾释放后为电池降温，但是由于电池容量较大，热失控反应剧烈，电池释放的热量大于细水雾带走的热量，所以电池温度仍在上升。但是细水雾有效的减缓了反应速率，电池表面温度有了不同程度的降低，电池正极的最高温度下降205.3℃。其他测点由于被隔热棉包裹，散热困难，但在细水雾的冷却下，正面上方和侧面中心最高温度分别下降了106.8℃和68℃。若增加水量，冷却效果将更好。

如图5所示，对于空白燃烧实验，质量在安全阀打开时出现明显下降，随后质量以较缓慢的速率稳定减少，当电池发生热失控时，质量下降速率增大，直至热失控结束时，质量稳定。实验过程中，电池共损失质量1136g。当水气复合灭火时，施加全氟己酮灭火剂后，虽然明火被熄灭，但电池内部温度依旧很高，反应仍在进行，质量下降速率依旧很大。随后释放细水雾后，电池质量下降速率明显下降，因为细水雾对电池表面降温，电池内部反应减缓。最终电池共损失955g，比完全燃烧少了181g。

综上所述，本发明阐述的一种气体灭火剂与细水雾结合的水气复合灭火方法，能够有效扑灭锂离子电池火，降低电池表面温度，抑制电池内部的反应，同时能够有效地抑制电池间的传热，阻碍热失控传播，从而提高电池组的安全性。

本实施方式只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域的技术人员在不脱离本发明原理的前提下所做出的一些改进和润饰应视为本发明的保护范围。