抑制锂离子电池火灾的新型灭火剂研究进展

摘要：介绍锂离子电池的基本结构与工作原理，分析锂离子电池热失控的触发方式，重点分析3种新型锂离子电池灭火剂，即水凝胶灭火剂、全氟己酮灭火剂以及干水灭火剂的灭火机理、灭火剂制备以及灭火性能，并且对其他正处于研究初期的新型灭火剂进行了概括与展望。在此基础上，对3种灭火剂的优缺点进行总结和归纳，并为今后灭火剂灭火效果的提高和性能的完善提供思路，提升锂离子电池的安全性，促进电化学储能技术的发展与应用。

关键词：锂离子电池；热失控；灭火机理；水凝胶；全氟己酮；干水

基金项目：河北省重点研发计划项目（22375418D）

研究意义

　　在“双碳”背景下，我国电化学储能行业飞速发展。锂离子电池作为当下新能源汽车动力来源的主流选择，锂离子电池因自身的理化性质，仍然存在一定的安全隐患。此类综述在介绍现有新型灭火剂灭火机理、制作以及灭火性能的前提下，进一步对之后灭火剂的研发做出展望，有助于推动锂电池的灾后应急处理水平，为未来锂电池灭火技术发展指明方向。

研究重点：三种新型灭火剂灭火机理、制备及灭火性能

1）水凝胶灭火剂

　　对于水凝胶灭火剂，其灭火机理主要为吸收热量、阻止氧气供应以及削弱辅热等三方面。使用水凝胶进行灭火还可以有效阻止锂电池、煤炭、灌木等易复燃物质的火灾复燃。

　　对于水凝胶的制备，大多数采用搅拌机、反应釜、干燥箱等设备。表1为国内外学者对于水凝胶制备所用材料、制备方法及创新点的汇总。

表1 水凝胶灭火剂制备汇总

　　水凝胶灭火剂在灭火性能上较优越，喷射后可立刻对锂电池进行包覆降温，并阻隔氧气。

2）全氟己酮灭火剂

　　全氟己酮的灭火机理主要包括降温冷却、化学抑制以及隔绝氧气3种形式，其灭火机理如图2所示。

图2 全氟己酮灭火机理

　　现阶段全氟己酮的合成方法很多，在前期使用阶段主要是使六氟丙烯和环氧化合物在催化剂的作用下进行反应，或者使环氧化合物异构化的方法合成。近年来，相关学者对全氟己酮制备所用材料、方法及创新点汇总如表2所示。

表2 全氟己酮灭火剂制备汇总

　　目前大多数储能电站在使用全氟己酮进行火灾抑制，虽然其在低浓度时可能造成短期内的毒性增加，但综合灭火效果仍是优于传统灭火剂。

3）干水灭火剂

　　干水灭火剂与传统的干粉和细水雾灭火剂不同，其结合了两者的优点，具有优良的灭火性能，具有物理降温和化学抑制联合作用机理。

图3 干水灭火剂灭火机理

　　干水作为一种固体灭火剂，其制备方法主要有3种：震动粉碎法、搅拌反应法、液滴雾化法。有诸多学者对基础干水进行了改进。例如增强其保水性、流动性以及充装性能等。

　　对于干水材料的灭火性能：与水相比，由于干水中的水被束缚在壳体内部，减少了水渍污染及二次污染；与干粉灭火剂相比，含有磷酸二氢铵或碳酸氢钠的干水灭火材料除了具有化学灭火作用外，还具有较强的物理冷却作用。因此干水具有水和干粉的综合优点。

研究结论

　　对水凝胶灭火剂、全氟己酮灭火剂和干水灭火剂进行总结，并将抑制锂电池火灾的优缺点汇总，如表3所示。

表3 新型灭火剂优缺点分析

　　1）在灭火机理上，水凝胶灭火剂与其他两种相比的特点在于可以形成保护膜，此保护膜不仅可以阻隔氧气，还可以吸收热量。全氟己酮灭火剂灭火机理不同之处在于化学抑制，灭火剂分子在高温中一部分键会断裂，与火焰燃烧过程中产生的活性自由基结合，阻断燃烧的链式反应，起到化学抑制灭火功能。干水灭火剂的灭火机理与水凝胶相似，以阻隔氧气和吸收热量为主。

　　2）在灭火剂制备上，研究人员都在不断完善与创新以增强灭火剂的灭火效果。对于水凝胶灭火剂，现有研究已经大大改善了传统水凝胶灭火剂的缺陷，并且增强了水凝胶灭火剂的阻烟效果，大大减小了漏气率。对于干水灭火剂，研究人员不仅对传统干水进行完善，同时也将干水与其他灭火剂结合，增强其灭火性能。

　　3）在灭火效果上，水凝胶灭火剂可以有效抑制锂离子电池火，并且可以阻止复燃以及火势蔓延等，具有较好的灭火效果。全氟己酮灭火剂在低浓度时会促进火势的发展，并且释放一定的有毒气体，随着浓度的增加，开始发挥灭火效能。目前，干水灭火剂对已着火电池的扑灭无较好的灭火效果，但对周围电池可以起到较好的保护作用。