1)锂电池容易发生热失控。锂离子电池在化成后处于带电状态,极易发生热失控。研究表明,电池的SOC(State of Charge)越高,在热冲击条件下发生热爆炸的时间越短,电池表面的最高温度也越高。当SOC接近100%时,燃烧速率和爆炸强度约为SOC为25%时的2.5倍。
2)货架能量集中。化成、分容、储存等环节通常采用高架仓库、生产框架等形式进行设置。如果在厂房通道堆放半成品、成品及瑕疵电池,这进一步增加了热失控、货架倒塌、高压触电、爆炸冲击等风险。
3)不同正极材料的锂电池热失控表现有所不同。三元材料在热失控时会迅速升温并猛烈燃烧,容易发生电池解体连锁爆炸。而磷酸铁锂材料燃烧不完全,会产生大量可燃气体产物和热量,容易在有限空间内引发混合气体爆炸。
4)物料管理复杂,安全风险控制具有挑战性。锂离子电池生产涉及多种危险物料和敏感工艺。例如,使用有毒、易燃易爆的化学品如NMP(N-甲基吡咯烷酮)、DMC(碳酸二甲酯),以及容易水解成HF(氟化氢)的LiPF6电解质。
5)建筑结构复杂,安全隐患显著。电池厂一般都是大型跨度和洁净室的结合体。为了保障生产的连续性和规模,极片制作工序(混料-切片)可能需要设置长达100米的生产线。高低吊顶设计。为了确保产品质量,电芯生产通常在设有空气净化系统的洁净室内进行,这要求较高的层高(6~8米)。为利用空间,部分过高的空间会通过吊顶封闭,使层高降至约3米,而吊顶上方则布满了气、液、物料管线。内部空间分隔复杂。锂离子电池生产企业的建筑内部通道布局复杂,存在多栋厂房通过连廊相连,形成“厂中厂”的结构,这增加了安全风险。
6)防火设计存在缺陷,火势蔓延速度快。企业内部的全自动物流通道、物料输送管线和管道地沟贯穿多个生产车间和楼层,缺乏有效的防火隔离,导致一旦发生火灾,热量大量积累,高温烟气使得机械排烟系统失效,极易引发结构坍塌。对于锂离子电池生产中的化成、老化、成品库等高风险环节,并未明确定义为爆炸风险场所,相关的爆炸风险和后果也没有明确规定。
锂离子电池生产工序处置要点
在企业生产流程中,每个阶段都面临着各种风险,这些险情随着工序的不同而有所差异。在电池组装之前,主要的风险集中在原料和生产工艺的不稳定性上,包括了混合过程中可能涉及的危险物质,如NMP(一种溶剂),涂敷步骤中可能涉及的有害气体,以及注液步骤中可能出现的电解液问题等。
当产品基本制造完成后,锂电池的生产面临一个重大的风险,即热失控现象。热失控是电池温度无法控制地升高,可能导致火灾或爆炸,对生产安全构成严重威胁。因此,在锂电池生产过程中,防止热失控成为核心的安全挑战。
初期灾情—单体电池发生热失控 ,未蔓延至周边货架
采取以工艺处置为主、消防处置为辅的技战术措施。一是断电排险。第一时间切断光伏发电及储能电站电源;视情分区分段实施内部断电,严禁随意切断事故厂房内部电源 ,防止化成区自动处置措施因断电失效。二是启动固定消防设施。部分企业在老化货架格仓内设置水喷淋系统 ,进一步加强初期处置能力。第一时间启动事故区域喷淋、排烟等固定设施 ,同时关闭空气净化系统,防止火势随管道蔓延扩散。消防力量到场后确认喷淋水泵接合器情况 ,做好加强供给强度的准备。三是释放防火卷帘。第一时间启动防火卷帘 ,尽可能将灾情控制在单个工艺段内。到场力量在防火卷帘外侧部署移动炮、消防机器人阵地实施冷却降温。四是启动工艺本质安全措施。针对常温化成电池故障,启动自动灭火程序,堆垛机将故障电池装入密封舱内 ,通过全氟己酮等气体灭火系统进行全淹没处置,随后由堆垛机放入应急水池;针对高温化成,自动启动气体灭火系统,对高温老化电池间进行全淹没处置,水喷淋冷却降温配合气体灭火系统进行。
难控灾情—电池热失控扩大至单个工序(化成、仓储),火势未蔓延至其他区域
坚持“安全防御、控制燃烧”的原则,堵截火势蔓延,处置过程中做好安全管控,防止坍塌、爆炸、中毒等情况。
1)外部阵地设置。利用消防车为喷淋接合器加压供水,提高内部喷淋冷却强度,控制火势蔓延。依托防爆墙设置大跨距举高喷射消防车、车载炮压制火势 ,避开门、窗等泄爆面。
2)内部阵地设置。原则上不内攻,确需内攻灭火、搜救人员、转运重要物资时,要满足以下条件 :一是事故部位喷淋已经动作,单个工序内部电池火灾为可控状态,通过监测系统观察大部分电池处于正常状态;二是被困人员位置已经明确,且有生还可能。内攻作业时,尽可能采用自摆炮、遥控炮、机器人等无人化装备部署阵地;对未着火的建筑或区域设置水幕分隔保护,同时加强管道排水。通道选择方面,尽可能缩短内攻距离,根据工艺段优先选择从应急门进入,如未设置应急门 ,视情破拆墙体,开辟进攻通道。
3)烟气控制。坚持“以固为主、以移为辅”的原则,优先启动建筑固定防排烟系统,确定排烟排热部位和实施方法,必要时调集挖掘机、强臂破拆车等大型机械设备进行破拆排烟。对于单层平面一体化厂房,可采用顶部破拆排烟;对于垂直立体式厂房 ,采用水幕分隔着火区域,对低温烟气进行分区排烟,降低内攻通道上的烟气浓度。
4)供水保障。通知相关部门增大管网压力,按照“1 1 备”的原则调集远程供水系统,保证火场供水持续不间断,调用洒水车等运水供水车辆作为火场供水补充。
5)人员搜救。利用消防控制室视频快速确定被困人员位置,在知情人指引下,通过应急通道内攻搜救;如无应急通道,消防员可破拆墙体,开辟内攻搜救通道。
失控灾情—锂离子电池化成、仓储区全部过火,已经失去内攻控火条件
此阶段 ,以外部射流控火和排烟降温为主,采取“全浸没”战法。对于一层平面布局厂房,采取“沙土筑堤、逐步翻埋、冷却推进、分割转运”的战术措施。对于垂直分布式厂房,采用多辆大跨距举高喷射消防车交替掩护、抵近射水的战术方法,对燃烧区域进行冷却控火,对楼内墙体进行降温,楼内冷却积水要及时排除,防止建筑坍塌。
电池仓库处置要点
在上风向利用举高喷射消防车、移动炮设置外部阵地,使用沙袋、沙土等在物资仓库周边筑堤设防 ,防止流淌火。利用长干线布置移动炮、机器人等力量进入内部控制火势。受火势威胁的原料仓库,要确保防爆制冷空调正常工作,开启事故仓库通风,降低可燃气体浓度,并同时设置水幕阵地,阻隔邻近热辐射烘烤。对于单体电池存放的仓库,可直接射水对电池进行冷却降温;对于模组或电池包仓库,单个电压已经超过安全电压,不可盲目射水。
本文针对企业化成后工序段不同灾情发展阶段,提出了相应的处置对策,在综合研判到位的基础上,充分利用企业应急门作为内攻通道,合理采用“固移结合、控制燃烧、排烟散热”等技战术方法,控制火势发展蔓延,并重点注意防触电、防中毒、防爆炸等事故。