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電動車室內充電有人看著就可以? 別再有僥倖心理了

電動車室內充電有人看著就可以? 別再有僥倖心理了

2021-10-29 Comments 0 Comment

近幾年,電動自行車自燃、爆炸等安全事故時有發生。 2021年9月20號,通州發生了電動自行車室內充電引發火災,造成了5人死亡的悲劇。 電動車為什麼會發生自燃、爆炸? 室內給電動車電池充電為什麼危險? 在使用電動車時,如何更好地保證安全?

顧客換下的鋰電池放路邊突然自燃,電動車老闆:換電池時就感覺有點溫度

自燃后的電動自行車(圖片來源:中國消防)

電動車發生自燃、爆炸,主要原因是電池。 為了跑得更遠、更快,電動車電池的能量密度不斷提升,與此同時,也越來越容易發生危險。

相對於過去使用的鉛酸蓄電池,鋰離子電池能量密度更高,危險也越大。

Part.1

鋰電池為什麼會起火、爆炸?

鋰電池為什麼會起火、爆炸?

電池由正極、負極、隔膜和電解液組裝而成,多個電池單體進一步集成為電池組。

傳統正極通常包括層狀過渡金屬氧化物(NCM/NCA),以及被稱為「鐵鋰」的橄欖石結構的磷酸鐵鋰。

電解液是電池的”血液”,鋰離子電池電解液通常使用的是具有可燃性的有機物,所以電池本身就是一個 “可燃物” ,在使用過程中,電池失效(包括短路,斷路,電池破損等一系列電池不能工作的情況)可能就會引發火災。

而隔膜最大的作用就是將正負極分開,從而避免電池內部短路,如果隔膜受損,電池則會熱失控。

顧名思義,熱失控就是溫度不受控制地上升。 這種現象會引發起火,爆炸等危險。

下面這個二維模型能夠幫我們理解電池熱失控發生的過程:

電池中放熱反應速率和熱損失速率隨溫度變化曲線。 其中4表示放熱反應速率,1、2、3分別對應不同室溫的情況下熱損失的速率,1曲線對應電池溫度能夠穩定的情況,2為臨界溫度情況,3中的電池會發生電池起火 (圖片來源:參考文獻1)

縱座標是熱量交換速率,橫座標為溫度。 曲線4表示電池自身發生化學反應時的熱效應,遵循我們初中學過的阿倫尼烏斯定律:化學反應過程中,反應速率會隨著溫度升高而升高,於是產生熱量的速度也便要升高。

1、2、3分別代表在環境溫度為A、B、C的條件下,散熱的速率隨溫度的變化。 遵循牛頓冷卻定律:隨著溫度的升高,物體與環境進行熱量交換的速率會逐漸增加。

當環境溫度為A時,可以預期E點是一個平衡點。 對於曲線1來說,當溫度超過E點對應的溫度,此時與環境交換熱量的速率會大於自身的產熱,所以溫度會降到E點對應的溫度。

相反,溫度小於E對應的溫度時,由於體系產熱大於熱量交換,所以溫度會升高到E點所對應的溫度。

當環境溫度升高到B時,此時2和4隻有一個交點D,這是一個臨界點,熱量交換速率和電池自身的產熱速率是相同的。 此時,系統的溫度一旦因擾動而升高,就會發生熱失控。

這時的臨界平衡溫度被稱為”不返回溫度”(Temperature of No Return)。

一旦電池超過了”不返回溫度”TNR,鋰離子電池系統就會進入熱失控的狀態。

因此,我們可以分析出大多數熱失控的原因——鋰離子電池因為某些原因溫度升高,從而使得電池溫度超過了”不返回溫度”TNR,進而引發劇烈的化學反應,發生熱失控。

Part.2

鋰離子電池在熱失控時會發生什麼?

電池溫度升高過程中,發生的化學反應是階段性的。 分別會在升溫過程中發生SEI的分解(89.06°C)、隔膜熔化(127.79°C)、正負極短路(129.35°C),鈷酸鋰歧化反應(158.08°C)、負極和電解液反應(169.16°C),鈷酸鋰進一步分解(188.29°C)和最後電池內的所有物質被氧化(220.65°C)。

其中正負極短路過程中釋放的熱量最多,高能量密度電池儲藏的能量在瞬間釋放出來的後果是驚人的。

熱失控時,鋰離子電池會產生甲烷、一氧化碳、乙烯和甲醚以及可燃的電解液蒸汽。

有報導認為,電解液中的陰離子是電池在熱失控過程中的釋放刺激性氣體的原因,如:氟化氫和二氧化硫。

在62平米的封閉場所內,僅僅20mL的商用電解液所產生的氟化氫就能夠達到人體的暴露極限。 所以,鋰離子電池的危險之處不光在於爆炸或燃燒放出來的熱量,更在於電池熱失控時釋放出來的有害氣體,這會導致人昏迷、窒息,失去行動能力。

此外,電池因為熱失控發生破裂時,會噴射出可燃性的氣體和氣溶膠,進而產生噴射狀的火焰,讓人無法靠近。

Part.3

電池更容易在室內爆炸?

在新聞中,時常會看到室內充電引起的事故,所以很多人以為電池更容易在室內爆炸,這其實是錯誤的認識。

大家看看數據:2021年以來,北京市電動自行車共發生火災433起,亡13人。 如果單看起火區域,室外有355起,室內有78起。 所以電動車電池出事不是挑地點的。

但是,電池在室內爆炸危險更大,也更容易導致人員傷亡。

一方面,室內鋰離子電池發生起火時會導致建築起火,火勢也更不容易控制。

另一方面,電池在室內燃燒釋放出的刺激性氣體和顆粒物,在封閉空間內逸散不開。 現場人員很容易吸入大量有害物質,造成窒息、眩暈、失去行動力,如果險情發生在人睡夢時,則更為危險。

這也是為什麼強調不要把電動車停放在室內或者安全通道。 一旦發生事故,火勢蔓延迅速、煙熱高,直接切斷了逃生通道,死亡率會非常高。

需要強調的是,並不是所有的鋰電池都不安全。

實際上,如果嚴格按照國家標準執行,電池發生事故的風險非常低。 畢竟目前鋰離子電池是以有機電極液為主的體系,雖然可燃,但是可以針對性地杜絕可燃風險。

並且國家頒布了電動自行車安全技術規範,對電動車廠出廠的蓄電池有嚴格的標準要求。

正規的電池廠家,一定會對常見的電車遇到的風險,進行防範性的設計。 比如對電池管理系統(BMS)設計,防止過充、濫用等等。

但是,仍然有很多「魚龍混雜」的電池廠商生產質量沒有保障的電池。 部分使用者,私自改用容量更大的電池,改裝線路,增加了出事故的風險。

來源:pixabay.com

這就更需要我們安全、合規地使用電動自行車。

筆者在網上找到了這幅圖,很好地總結了使用電動自行車的注意事項。

Part.4

電池起火怎麼辦?

首先,及時斷電。

撤離到安全區域,撥打火警電話,不要第一時間嘗試滅火,及時提供現場火災資訊。

鋰離子電池起火發展過程(圖片來源:washington.edu)

國內外對於鋰電池起火時,能否用水滅火有不同說法。

有的說需要用ABC類滅火器,不能用水,但實際上,用水滅鋰離子電池的火是合理且有效的方法。 (A表示固體物質火災滅火器,B表示液體或可熔化的固體物質火災滅火器,C和D分別表示氣體火災、金屬起火的滅火器。 )

《新能源汽車火災撲救規程》中也指出,明火熄滅后,也要繼續用水對電池組進行持續的冷卻。 由於鋰離子電池中沒有金屬鋰,所以也不需要用D類滅火器。

寫在最後的幾個小問題

在最後,筆者就以一些小Q&A來結尾,希望大家能夠安全規範使用電動自行車,平安出行。

問:為了防止起火,我在家看著它充電1個小時可以嗎?

答:看著也不行,它起不起火豈是我等生物能提前預知的?

問:市面上電池有哪些種類? 安全性有什麼區別?

只要是符合國家標準,並且按照國家標準進行測試了的電池,都比較安全。 但是凡事都有萬一,不同電池失效的反應不一樣,所以安全性也很難定義。

不同電池著火情況不同。 鉛酸蓄電池在過充後會釋放氫氣,在這種情況下有可能會引發爆炸。

鎳氫電池比較少見,如果過充或短路也會釋放氫氣,進而引發爆炸。

一次性乾電池,在高溫和短路的情況下也有可能發生爆炸。

問:電動自行車室內著火和室外自燃爆炸有什麼相通之處?

首先,他們都是因為熱失控導致的自燃爆炸,只是誘因不一樣。 充電著火極有可能是過充、或者電池導電性差,快速充電階段產熱多,溫度急劇升高,導致的危險。

而室外自燃通常是電動車內部發生短路,用一句話表述就是:要麼人為操作不當,要麼電池產品質量不過關。

總之,嚴守安全規範,不要在室內給電動車充電。

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