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锂离子电池热失控灭火效率研究中，通过对比水、气凝胶和泡沫三种灭火剂发现：水在抑制热失控传播和降温方面最优，气凝胶需持续覆盖但初期灭火快，泡沫存在复燃风险。构建了涵盖热失控控制与预防两大类指标（温度上限/下限、均值、标准差）的评估模型，综合得分水0.69最优，气凝胶0.46，泡沫0.44。研究为电池火灾处置提供了量化评估框架，后续需考虑电气导通性和毒气排放等实际场景因素。
胡向宇|刘彤|朱国庆|康子涵|侯俊杰|董新同
中国矿业大学安全工程学院，江苏省徐州市221116
摘要
锂离子电池（LIBs）由于热失控（TR）而存在显著的火灾和爆炸风险，扑灭此类火灾仍然是一个重大挑战。本研究调查了水、气凝胶灭火剂和泡沫在抑制LIB电池组热失控方面的灭火效率，并建立了一个评估模型来评估它们的性能。电池组的热失控过程是由使用等体积饱和氯化钠溶液引起的局部短路触发的。随后，使用固定流量的喷枪执行灭火程序以有效抑制火灾。水和气凝胶都表现出快速的灭火能力。然而，气凝胶需要持续覆盖以冷却电池组升高的温度。相比之下，泡沫的灭火和冷却性能相对较差，但具有很强的抗复燃能力。水可以防止热失控向相邻电池的传播（TRP），而气凝胶可能仍然允许TRP的发生，泡沫的TRP抑制效果最弱。通过将灭火指标分为危险控制和预防两类，建立了一个基于每个指标的上限/下限、平均值和标准差的评估模型。水、气凝胶和泡沫的综合得分分别为0.69、0.46和0.44。水表现出最佳的灭火效果，具有最强的危险预防能力。气凝胶的灭火效果中等，因为它需要长时间连续喷洒来抑制高温。泡沫的表现最差，残留的局部高温倾向于引发次生灾害。本研究为LIB火灾灭火提供了一个新的评估框架和可靠的策略；未来的研究应纳入电导率和有毒气体排放等潜在风险，以更好地反映实际应用场景。
引言
随着可持续能源的发展，锂离子电池（LIBs）已逐渐渗透到大多数工程实践领域（Schmuch等人，2018年）。作为一种新的能源载体，LIBs具有高能量密度、稳定的能量输出和长使用寿命等优点。因此，它们被广泛应用于能量存储、电动汽车、数字设备等领域（Guo等人，2022年；Liu等人，2023a年；Sun等人，2025年）。随着生产过程的逐步优化，LIBs现在表现出良好的安全性能。然而，在极端或故障状态下，LIBs仍会引发热失控（TR）现象，其特征是快速的热量释放和气体产生，这威胁到人身和财产安全（Li等人，2025a年；Lou等人，2025年；Sadar等人，2024年）。
LIBs中的热失控（TR）是一系列在电池内部发生的热解反应。在TR过程中，固体电解质界面（SEI）的分解和再生、电解质的热解、隔膜的熔化、大规模的内部短路触发以及正极材料的热解依次发生。影响TR热量产生的最显著因素是正极材料（Xu等人，2024年；Zhang等人，2022年；Zhou等人，2024年）。目前市场上最常用的正极材料是磷酸铁锂（LFP）和镍钴锰三元锂（NCM）。与LFP相比，NCM具有更好的电化学性能（Song等人，2022年）。因此，NCM电池的热失控过程更为剧烈。在TR过程中，电池会释放大量可燃气体，如H2、CO、CH4、C2H4和有机电解质蒸汽，在安全阀（SV）处表现为预混射流火灾（Huang等人，2021年）。此外，由于模块内的密集排列，一个电池单元产生的热量可以传递到相邻电池单元，导致热失控的传播（TRP）和更大的危险（Fan等人，2025年）。这些TR的特性使得灭火特别具有挑战性。
先前的研究调查了干粉、气体灭火剂和水基灭火剂的TR抑制和灭火效果，得出结论认为水基灭火剂具有最佳的抑制效果（Majeed等人，2024年；Ouyang等人，2025年；Youssef等人，2023年）。Wang等人（2025年）研究了Novec-1230的冷却能力和TR抑制效果，发现它可以在81秒内熄灭火焰，但会被外部点火源重新点燃。Yu等人（2025年）仅研究了绝缘材料的TRP抑制效果，以及含有复合相变材料和液体冷却的绝缘材料，获得了TRP的隔离和抑制机制。Sun等人（2022年）比较了HFC-227ea、C6F12O和水喷雾的TRP抑制效果，发现HFC-227e和C6F12O几乎无法抑制TRP，而水喷雾可以很好地防止它。Li等人（2023年）研究了无机相变材料与商业干粉灭火剂的复合效果，证明了其在灭火和吸热能力方面的优势。Li等人（2025a）使用磷酸二氢铵（NH4H2PO4）水溶液作为灭火剂，发现其灭火持续时间长达3至5秒，并且在10分钟内冷却能力降低了89%。Li等人（2025b）探讨了添加Tween-20、Silok（R）2235、FC-7430和TX-100以及碳点添加剂（CQDs）是否可以增强细水雾的TR抑制效果，得到了600 ppm Silok（R）2235和1200 ppm CQDs与细水雾的有效复合添加剂。Hu等人（2024年）研究了用KCl和非离子氟碳表面活性剂FC-4430改性的水雾的TR抑制能力，并证明了其添加的有效性。Zhou等人（2025年）制备了一种新的凝胶蛋白泡沫灭火剂，与商业蛋白泡沫灭火剂相比，灭火持续时间增加了38.46%。Yuan等人（2021年）总结了不同灭火剂对电池火灾的抑制效果，并根据包含不同指标的雷达图评估了灭火效果。这些关于水基灭火剂的现有研究大多仅限于TR灭火的一些表面指标，并未全面考虑如复燃频率和全尺寸电池组的熱辐射等指标。尽管在其他领域应用了多种火灾预防和灭火评估方法（Liu等人，2022年；Wu等人，2021年；Zhang等人，2023年），但在电池火灾抑制方面仍存在空白。
本研究测试了三种灭火剂——水、气凝胶灭火剂和泡沫，并从电池组表面温度和热辐射变化的角度分析了它们的灭火性能。此外，为了定量评估每种灭火剂的效率，建立了一个基于两类危险控制指标和预防指标的评估模型。本研究预计将为LIB火灾灭火的评估提供新的指导和可靠的策略。
实验设置
实验设置
本研究是在一个电池模块和电池组上进行的。实验中使用的LFP刀片电池单元尺寸为960×13.5×90毫米，电池组尺寸为2210×1610×107毫米。每个电池组包含178个完整的LFP电池单元。每个电池单元的额定容量和电压分别为135安时（Ah）和3.2伏特（V），而电池组的额定电压为569.6伏特（V）。所有电池在实验前24小时内都充电至100%的充电状态（SOC）。
电池组温度
不同灭火条件下的电池组表面温度分别显示在图3.1、图3.2和图3.3中。
由于电池组略有倾斜，饱和氯化钠溶液流入电池组并在一个角落积聚。正负电极之间的短路导致电池组受影响区域迅速发热。随着热量积累，电池组破裂并引发了TR过程。
结论
本研究调查了水、气凝胶和泡沫在抑制LIB电池组热失控（TR）方面的灭火效率，并建立了一个评估模型来评估它们的性能。主要结论如下：
(a)冷却和火焰抑制能力：水能有效抑制电池组的高温，减少TR的严重程度，并迅速熄灭火焰。气凝胶的灭火持续时间最短，但需要持续覆盖以控制
作者贡献声明
董新同：验证、软件。侯俊杰：可视化、验证、资源。康子涵：验证、软件、资源。朱国庆：软件、资源、项目管理、资金获取。刘彤：写作——审阅与编辑、可视化、监督、调查、资金获取。胡向宇：写作——审阅与编辑、初稿撰写、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢中国国家重点研发计划（2023YFC3009900）、国家自然科学基金（项目编号52504275）、江苏省自然科学基金（BK20241657）、江苏省青年科技人才支持项目（JSTJ-2024–076）、"双一流"建设与自主创新能力提升："安全学科群-火灾与公共安全"（2022ZZCX05K05）以及基础研究基金的支持。
