【背景】

电池热失控火灾过程复杂且危害性大，通常伴随大量热量及毒害性气体释放。因此，积极开发高效灭火材料对防止电池热失控事故的发生并减少损失十分重要。现有研究表明气凝胶具有密度低且结构稳定不易发生畸变、导热能力差、热稳定性好等特殊优势，作为一种新型灭火材料，对于固体、液体类火灾具有较好的防治效果，但其在抑制电池火灾方面的有效性尚待验证。因此，此论文旨在研究气凝胶泡沫灭火剂抑制锂离子电池热失控的效果和锂离子电池热失控规律，为进一步探寻锂离子电池热失控快速有效的抑制方式打下基础。锂离子电池的热失控过程状态可由测量得到的电池外壳温度、火焰温度、电池膨胀导致的挤压应力三种特征参数判断。实验设置如图1所示。

图1 实验设置

通过满荷电状态下的100 Ah磷酸铁锂储能电池热失控演变过程特征参数划分锂离子电池热失控阶段，识别出三个灾害演变特征拐点作为灭火剂施加的指导节点。在相同节点分别施加灭火参数一致的气凝胶泡沫灭火剂与细水雾，开展灭火对比测试。通过比较细水雾和气凝胶泡沫灭火剂在指导节点喷洒后锂离子电池外壳与电池火焰温度曲线，分析在不同热失控阶段内气凝胶泡沫灭火剂相较细水雾灭火抑制效果的优势及原理。研究结果表明，触发明火前施加灭火剂均可有效阻断电池内部放热副反应，两者表现出相似的冷却效能；电池起火后，气凝胶泡沫灭火剂展现出更为出色的明火抑制效果，其接触电池表面形成的致密泡沫可有效阻隔氧气，实现快速灭火，如图2所示。

图2 气凝胶灭火剂表面成泡形态

（1.热失控前施加；2.热失控后施加）

对于已经触发热失控的情形，气凝胶灭火剂凭借预热覆盖效果，显著缩短电池射流火持续时间，可大幅降低电池火灾危害。

图3 灭火剂作用下电池火焰温度曲线

对灭火现象进行分析可以发现，细水雾主要依赖于雾场与电池射流火的相互对抗进行灭火，其作用过程中电池火表现出剧烈的形态变化，如图4所示。与之不同的是，气凝胶灭火剂作用下电池射流火表现出包覆式灭火过程，火焰高度逐渐降低直至熄灭，其灭火过程较快、火焰波动现象不显著，一定程度上说明气凝胶灭火剂的出色控火效果。

图4 细水雾（上）和气溶胶（下）灭火过程

【结论】

1）气凝胶灭火剂具备阻断热失控发展的能力，可有效扑灭电池明火，同样工况下比细水雾降低约70s。

2）热失控触发后其冷却降温效果显著削弱，但电池射流火持续时间明显缩短，火灾危险性进一步降低。

3）此实验条件下，气凝胶灭火剂表现出较为高效的明火抑制效能，其在电池表面形成的覆盖物有助于窒息电池、防止复燃。

此论文研究搭建锂离子电池热失控实验平台，创造性地提出划分灭火剂施加指导节点的研究思路，进行细水雾与气凝胶泡沫灭火的对比实验，从而进一步分析气凝胶灭火剂的冷却、防复燃和阻燃原理，为锂离子电池火灾防治提供了新思路。

【电池综合性能实验舱】

合肥点石仪器科技有限公司自主研制的电池综合性能实验舱可实现多种环境要素(温度、压力、气氛等)耦合，对电池进行多类测试(针刺、挤压、过充、过放、短路、温度循环、点火、灭火)，用于电芯及小型电池模组的综合性能测试。