关于含有TiO?纳米颗粒的泡沫灭火剂对锂离子电池灭火效率的实验研究

《Process Safety and Environmental Protection》：Experimental study on the fire-extinguishing efficiency of foam extinguishing agent containing TiO 2 nanoparticles for lithium-ion batteries

泡沫灭火剂中添加TiO?纳米颗粒可显著提升锂离子电池（LIB）火灾扑救效率，其快速形成稳定泡沫（9秒内扑灭明火）、有效抑制液体流失（600秒后仅14.19mL渗出）及高效降温（12.48℃/s冷却速率，1800秒降至27℃）等特性。TiO?纳米颗粒通过吸附在泡沫 Plateau 边界增强稳定性，并形成热传导网络促进散热。

　　

徐朝航|陈胜|张颖|何立智|孙旭旭

武汉理工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（LIB）火灾的频繁发生严重阻碍了其大规模应用。为了解决这一问题，通过结合TiO?纳米颗粒和表面活性剂制备了一种用于LIB火灾的泡沫灭火剂。测试了其主要性能，包括发泡能力、表面张力、排水速率、粗化过程、冷却性能和灭火能力。结果表明，这种泡沫灭火剂具有优异的发泡能力和低表面张力。光学显微镜观察发现，加入TiO?纳米颗粒后，泡沫的粗化速率显著降低；5分钟后，平均气泡直径仅增加了63.447微米。同时，由于TiO?纳米颗粒可以在泡沫的边界处积聚，最终排出的液体量减少；600秒后排出的液体量仅为14.19毫升。冷却和灭火测试表明，含有TiO?纳米颗粒的泡沫在喷洒后9秒内迅速扑灭了明火。由于TiO?纳米颗粒具有高导热性，电池表面温度也显著降低，冷却速率为12.48°C/秒。1800秒后，温度降至27°C，显示出持续有效的冷却效果，没有重新点燃或温度回升。最终，泡沫灭火剂在电池表面形成一层干燥的多孔层，使热量通过热辐射更快地散发到周围环境中，从而改善了自然冷却效果。因此，含有TiO?纳米颗粒的泡沫灭火剂是一种新型且具有前景的LIB火灾灭火介质。本研究可为进一步开发高效的LIB火灾灭火剂提供指导。

引言

随着技术的快速发展，锂离子电池（LIB）已成为便携式电子设备和新能源汽车的核心电源。它们因其高能量密度、长循环寿命和低自放电率而受到青睐（Lyu等人，2020；Wang等人，2022；J. Zhang等人，2024；Zhao等人，2021）。然而，高能量密度也带来了安全问题。由热失控引起的火灾燃烧更为剧烈，传播更快，且更容易重新点燃（Feng等人，2020a；Jia等人，2022；Jia等人，2025；Ren等人，2021）。全球的专家和电池制造商提出了通过修改电池内部结构或材料来采取主动保护措施（Goriparti等人，2014；Hong等人，2018；Ping等人，2023；Wang等人，2019b；Wang等人，2019a）。这些措施旨在减少LIB中的热失控现象。然而，现有技术无法完全防止热失控。因此，快速有效地扑灭LIB火灾并防止重新点燃仍然是许多专家和学者的研究重点（Chen等人，2023；Feng等人，2020b；Hu等人，2024；Wu等人，2024）。

现有的传统灭火剂在处理LIB火灾时存在一些局限性，例如无法抑制内部化学反应、冷却效果有限以及容易重新点燃（Yuan等人，2021a；L. Zhang等人，2024）。Liu等人表明，C?F??O可以在释放后的最初30秒内有效抑制LIB火灾，但其冷却效果有限。此外，随着剂量的增加，抑制效果减弱，毒性变得更加明显（Liu等人，2024）。Xu等人研究了CO?对LIB火灾的影响。其灭火机制基于氧气隔离和减少热辐射来实现灭火。还发现它可以抑制可燃气体的燃烧，但无法完全扑灭LIB明火（Xu等人，2020）。Yuan等人证明，水基灭火剂可以有效抑制LIB的热失控，但需要长时间连续使用才能维持效果（Yuan等人，2021b）。Lou等人研究了水雾对热失控电池的影响。在LIB达到临界温度之前，可以通过释放水雾来控制热失控。此外，水雾对热失控气体的生成具有抑制作用（Lou等人，2025）。Yao等人结合C?F??O和水雾进行了实验，发现混合喷雾的冷却速率和温度降低效果优于单一灭火剂（Yao等人，2024）。Yan等人通过将改性硅胶与碳氢化合物表面活性剂结合，制备了一种新型无氟泡沫灭火剂，该灭火剂在扑灭池火方面表现出良好效果（Yan等人，2024）。Xu等人通过向表面活性剂泡沫中添加KGM/WG，开发了一种有机-无机复合凝胶泡沫，显示出更好的保水性和冷却性能（Xu等人，2025）。从不同类型灭火剂的效果综述可以看出，现有的单一灭火剂在扑灭LIB火灾时存在不同程度的缺陷。表面活性剂泡沫因其出色的冷却和覆盖能力而在LIB火灾抑制方面具有优势。通过化学或物理添加剂提高其性能可能是未来的重要研究方向。

近年来，纳米材料由于其独特的物理和化学性质，在灭火和阻燃方面显示出巨大潜力（He等人，2020；Huang等人，2020；Sharma等人，2024）。一些研究人员还将它们应用于表面活性剂系统中。例如，Jafarbeigi等人提出了一种新型亲水性SiO?–TiO?纳米复合材料系统，提高了纳米流体的热稳定性（Jafarbeigi等人，2025）。Shojaei等人发现，添加纳米颗粒可以改变不同表面活性剂的稳定性，显示出纳米颗粒与表面活性剂之间的相容性（Shojaei等人，2021）。Sheng等人表明，添加氢氧化镁纳米颗粒可以增强表面活性剂在气液界面的吸附能力，从而降低界面张力，提高泡沫稳定性并增强灭火效率（Sheng等人，2024）。然而，关于将纳米颗粒应用于表面活性剂泡沫以预防和扑灭LIB火灾的研究仍然有限。TiO?纳米颗粒以其优异的热稳定性而闻名，已在多个领域用作高效的阻燃剂（Dong等人，2019；Li等人，2015）。Noman等人证明，TiO?纳米颗粒在聚合物基体中形成的热传导网络显著提高了复合材料的导热性，为电池热管理提供了新的见解（Noman等人，2025）。关于泡沫系统，Hajirasouliha等人系统研究了TiO?纳米颗粒在表面活性剂溶液中的气液界面行为。他们发现，TiO?纳米颗粒通过吸附在气泡界面上来防止气泡聚结，从而形成更稳定、更密集的泡沫（Hajirasouliha等人，2025）。这些发现为TiO?纳米颗粒在LIB火灾泡沫灭火剂中的应用奠定了坚实的理论基础。本研究探讨了含有TiO?纳米颗粒的表面活性剂泡沫在抑制LIB火灾中的应用，研究了这些泡沫的发泡性能、表面活性、排水速率和粗化过程，并测试了其冷却性能和灭火效率，为开发新的LIB火灾灭火剂提供了实验依据。

材料

泡沫灭火剂由表面活性剂和纳米颗粒组成。用作发泡剂的表面活性剂是十二烷基硫酸钠（SDS，由上海Macklin生化技术有限公司生产，含量92.5%）和十二烷基二甲基甜菜碱（BS-12，由山东优索化学技术有限公司生产，含量30%）。纳米颗粒为TiO?，有三种粒径：20纳米、50纳米和100纳米（由青河县恩意金属材料有限公司生产）。所有上述试剂均

表面活性剂系统的泡沫性能

SDS和BS-12以不同的比例混合，总质量分数保持在0.5 wt%。图3展示了两种表面活性剂混合后的泡沫膨胀比、排水半衰期和FCI值。泡沫膨胀比没有显著差异，保持在6到7之间，主要是由于使用了机械搅拌发泡方法。排水半衰期和FCI呈现相同趋势：最初迅速增加，然后缓慢下降。当比例η为4:6时，

结论

为了探索适合LIB火灾的灭火剂，本研究制备了一种含有TiO?纳米颗粒的泡沫灭火剂。通过相关的表征和实验测试，主要结论如下：

通过改变添加的TiO?纳米颗粒的浓度和粒径，可以显著改变复合材料的整体泡沫性能。当SDS/BS-12比例为4:6，总质量分数为0.5 wt%时，TiO?纳米颗粒

CRediT作者贡献声明

陈胜：撰写——原始草稿，研究，数据管理，概念化。何立智：研究，数据管理。张颖：资源，方法论，概念化。孙旭旭：验证，监督，研究。徐朝航：撰写——审阅与编辑，资源，概念化。

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

本研究得到了湖北省重点研发项目（2023DJC166）、国家自然科学基金（52574262 & 12302443）和国家重点研发计划（2023YFC3008804）的支持。