水和3% F-500水溶液在300Ah LiFePO4电池中用于抑制喷射火焰的对比研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Water and 3?% F-500 aqueous solution for suppression of jet flames in 300Ah LiFePO 4 batteries: A comparative study

锂离子电池热失控（TR）中有机电解质溶剂挥发检测困难，本研究开发增强实验平台实现300Ah LiFePO?电池TR时乙基甲基 carbonate（EMC）蒸汽的实时定量分析，对比水雾（WM）和3% F-500溶液在非燃烧（气体释放）及燃烧（喷射火焰）TR场景的抑制效果。结果表明：3% F-500溶液在0.3MPa喷嘴压力下8±6秒内抑制火焰，较WM快178±40.5秒；降低峰值烃类气体浓度约50%，显著抑制可燃蒸汽浓度。

　　

马永飞|余航|姚敏|史金全|毛斌斌|田俊|张颖

武汉工业大学安全科学与应急管理学院，中国武汉430070

摘要

锂离子电池电解液中的有机溶剂被认为是热失控（TR）过程中燃烧的主要因素。然而，它们相对较高的沸点给实时、定量检测TR条件下的气相成分带来了显著挑战。在本研究中，开发了一个改进的实验平台，能够准确量化通过外部加热引发的300 Ah LiFePO₄电池热失控过程中释放的碳酸乙甲酯（EMC）蒸汽。系统地分析了不同TR阶段电池排气气体的成分和变化趋势。为了评估缓解策略，采用了一种水雾（WM）抑制系统，比较了纯水和3% F-500水溶液在无火焰（气体释放）和有火焰（喷射火焰）TR场景下的性能。结果表明，在0.3 MPa的喷嘴压力下，3% F-500溶液在8±6秒内实现了火焰抑制，而纯水则需要178±40.5秒。此外，F-500溶液将碳氢化合物气体的峰值浓度降低了约50%，从而大幅降低了可燃物质的气相浓度。

引言

风能和太阳能等可再生能源正逐渐取代化石燃料，成为主要的自然能源来源。然而，由于这些能源的间歇性和不稳定性，需要储能系统进行调节，这使得储能技术成为其发展的新瓶颈。电化学储能，特别是锂离子电池（LIBs），已成为储能解决方案的关键组成部分，并且正在快速增长（Hu等人，2025年；Li等人，2017年；Xu等人，2021年）。尽管如此，由于锂离子电池具有高能量密度和易燃的内部组件，在滥用条件下仍容易发生热失控（TR），电池储能系统（BESSs）中的火灾或爆炸事件仍然频繁发生。

锂离子电池中的TR过程通常表现为温度迅速升高、持续高温以及大量易燃气体和喷射物的释放，这很容易导致火灾或爆炸。随着电池容量的增加（Lou等人，2025年；Mao等人，2021年；Meng等人，2023年；Wang等人，2024年），可燃物质的量也会增加，从而加剧潜在的危险。Mao等人（Mao等人，2024年）观察到在280 Ah LiFePO?电池故障过程中，热火花引发了TR气体，导致自燃，并强调了喷射火焰的热辐射危害。在严重的TR情况下，可能会产生长达1.42米的喷射火焰，峰值热流达到4623 kW/m2，1米半径内的热辐射强度超过了导致一度烧伤和疼痛的水平（4–5 kW/m2）。Zhou等人（2023年，Zhou等人，2025年）发现，并联配置中的电流传输机制会加剧TR和火灾风险。即使在没有自燃的情况下，TR过程中释放的大量易燃气体也可能与空气形成爆炸性混合物，并可能在复杂的操作环境中意外点燃，就像中国北京的一个BESS火灾和爆炸事件中发生的那样（Shen等人，2023年）。

为了减轻TR的危害，大量研究集中在有效的锂离子电池灭火策略上。虽然干粉和气溶胶基灭火剂可以在一定程度上扑灭火焰，但它们的冷却效果较差，常常导致复燃（Meng等人，2020年）。氟化气体（例如HFC-227ea和C?F??O）可以通过捕获自由基来中断链式燃烧反应，但通常无法有效降低电池温度（Liu等人，2022年；Wang等人，2015年；Zhang等人，2022年），特别是低剂量的C?F??O甚至可能加剧燃烧（Liu等人，2022年）。美国联邦航空管理局（FAA）对水基和非水基灭火剂的性能进行了全面比较，强调冷却能力对于阻止火势蔓延和防止锂离子电池中TR的传播至关重要。由于水基灭火剂具有更好的冷却效果，因此表现出显著更好的抑制性能（Maloney，2014年）。

为了提高水基灭火剂的性能，研究人员开始探索添加功能性添加剂（Cui和Liu，2021年）。Hazard Control Technologies（HCT）开发的一种新型胶束封装灭火剂F-500，在各种火灾场景中表现出优异的冷却和隔离燃料的能力（Schwenk等人，2024年）。Fernandes等人（2018年）发现，如碳酸二甲酯（DMC）和碳酸乙甲酯（EMC）等易燃有机电解质占锂离子电池TR过程中释放气体的大约60%，是主要的燃料来源。先前的研究已经证明了F-500吸收和封装TR气体的能力。Yuan等人（2022年）将TR过程中释放的氢引入3% F-500溶液中，发现它有效地吸收了H?。Meng等人（2023年）评估了各种灭火剂在243 Ah LiFePO?电池火灾中的抑制性能，发现3% F-500的抑制时间最短（49±20秒），优于FireIce、C?F??O、水雾（WM）和HFC-227ea。此外，他们还发现将1% F-500与DMC混合可以形成“DMC-F-500-水”微胶囊，表明F-500通过降低火源处的可燃物质浓度来抑制燃烧——这种效应被称为“燃料去除机制”（Meng等人，2024年）。

然而，大多数关于F-500对TR喷射物封装效果的研究都是基于将可燃物质注入或混合到3% F-500溶液中，缺乏在真实条件下的实时测量。有机电解质溶剂是燃烧过程中的主要燃料之一。由于它们的沸点较高（Wang等人，2019年），在TR测试中实时量化其蒸汽浓度具有挑战性。本研究通过改进实验平台，实现了对300 Ah LiFePO?电池热失控过程中释放的EMC蒸汽的实时量化，揭示了不同TR阶段电池排气气体（BVG）的成分和浓度。此外，还使用水雾系统比较了水和3% F-500溶液在排气过程中对BVG的影响及其在火灾测试中对喷射火焰的抑制性能。选择3%的浓度是因为它远高于临界胶束浓度（CMC）（Meng等人，2024年），并且符合制造商建议和行业惯例，适用于处理易燃液体火灾。这项研究有助于开发可靠的工程控制和缓解策略，有效防止或减轻锂离子电池TR对人员、财产和环境的连锁效应和严重危害，从而提高储能行业的整体安全性和可持续性。

实验设置

实验装置

本研究使用了一块标称容量为300 Ah的大尺寸棱柱形LiFePO?电池。该电池采用石墨阳极，平均质量为5458克，几何尺寸为173.7×72×207.2毫米。内部由两个平行电极卷组成（Mao等人，2021年）。实验装置和热电偶布置如图1所示。测试在一个尺寸为1.9×1.9×2米的不锈钢燃烧室内进行。

热失控阶段

图2展示了实验过程中电池表面温度、电压和质量损失率的变化。整个TR过程可以分为四个不同的阶段。

阶段I： 这个阶段对应于加热器提高电池温度的时期。由于热电偶T_{front与加热板直接接触，因此温度上升迅速。在安全阀打开之前观察到了明显的电池膨胀。}

阶段II： 这个阶段从

结论

本研究对大尺寸棱柱形LiFePO?电池进行了一系列热失控（TR）和火灾抑制实验，系统地比较了水雾（WM）系统施加的水和3% F-500水溶液在抑制喷射火焰和控制TR过程中气体浓度方面的性能差异。主要发现如下：

从安全阀打开到内部电极卷发生TR的整个期间，电池排气气体（BVG）

作者贡献声明

姚敏： 数据整理。余航： 数据可视化。史金全： 概念设计。马永飞： 原稿撰写。田俊： 写作 - 审稿与编辑。毛斌斌： 写作 - 审稿与编辑。张颖： 资金筹集。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52304248）和湖北省开放性科技项目（编号：2023BEB021）的支持。