2024年2月20日发(作者：归诗翠)
修改时间：2018年09月05日15:01:54电脑XF-C排图文zw校对灭火系统设计含复合添加剂细水雾抑制锂电池火灾效果分析张青松，程相静，白伟（中国民航大学飞机防火与应急研究所，天津300399）摘要：利用自主设计的实验平台，探究含复合添加剂的细验，并分析含复合添加剂细水雾的作用机理，为实际抑制锂电池火灾提供科学依据。11.1实验方法实验装置细水雾抑制锂电池火灾实验在自主搭建的实验平台上进行。实验平台分为实验舱体、加热装置、测温装置、细水雾生成装置以及摄像装置，如图1所示。实验舱体有效内径为50cm，有效长度为50cm，材质为304钢材，舱门处设置有观察窗，便于观察；在舱体侧方设有开口，且在上方设有直径约8cm的法兰用于连接喷头。加热装置主要由程序升温仪以及直径为18mm、功率为150W的加热棒组成。测温装置包括WRNK-191铠装式热电偶（测温范围为：0~1100℃）以及无纸记录仪，可以将实验过程中的温度变化记录下来，并通过特定程序导出数据，以便于分析。细水雾生成装置包括压力型雾化喷头（单个喷头上集聚4个雾化喷嘴）和手动雾化机。喷头无纸记录仪加热棒热电偶摄像机电池手动雾化机舱门观察窗水雾对锂电池火灾的抑制效果。分析在添加剂质量分数为0~4.5%的细水雾作用下电池冷却速率、最高温度的变化趋势以及复合添加剂的灭火机理。结果表明：在细水雾中加入复合添加剂能大大提高细水雾抑制锂电池火灾的能力；复合添加剂质量分数为4.0%时抑制效果最佳；复合添加剂主要通过增大物理吸热能力以及捕捉化学自由基起到增强细水雾灭火性能的作用。关键词：细水雾；复合添加剂；锂电池火灾；灭火效果中图分类号：X949，TU892，TM911文献标志码：A文章编号：1009-0029（2018）09-1211-04随着锂离子电池（以下简称“锂电池”）的应用越来越广泛，锂电池极有可能成为新世纪的主导绿色电源，但在挤压、穿刺、过热等情况下，锂电池内部热效应会急剧增加，而锂电池是热的不良导体，热量大量聚集无法散出，易导致热失控发生。特别在航空运输过程中，因锂电池引发的火灾不仅会造成财物损失，更严重的是会直接导致人员伤亡。美国联邦航空局曾做了大量实验，以选择可抑制锂电池热失控的灭火剂。实验结果表明：细水雾可有效抑制锂电池火灾，而现在飞机上常备的哈龙灭火剂却是无效的。细水雾凭借其高效、清洁、环保等优点脱颖而出，成为最有发展前景的哈龙替代技术。但在通风良好的环境中，细水雾抑制火灾的效果较差，并且由于水物理作用的局限性，使得细水雾灭火性能远不如化学灭火剂。因此，进一步提高细水雾的灭火性能，使其成为高效、应用面广的灭火剂是当今火灾领域的研究热点问题。在细水雾中加入不同的添加剂可以有效弥补上述不足，添加剂可以分为化学和物理添加剂两大类，其中对于物理添加剂的研究多集中于表面活性剂，对于化学添加剂的研究包括NaCl、FeCl2、KHCO3、NH4H2PO4等。上述研究均为单一添加剂的加入对细水雾灭火性能的影响，而对于复合添加剂的研究较少，如丛北华等研究了自制复合添加剂对细水雾灭火性能的影响，并得出添加剂的最佳灭火浓度；于水军等比较了纯细水雾与含复合添加剂细水雾的灭火机理，认为含复合添加剂细水雾的作用机理是物理与化学共同作用。对于锂电池火灾而言，使用含复合添加剂细水雾进行抑制的则是更少。笔者在以往研究的基础上，分析比较国内外复合添加剂的配方，配置适合抑制锂电池火灾的细水雾复合添加剂配方，进行抑制锂电池火灾实（a）示意图（b）实物图图1实验装置图本实验所用电池为18650型锂离子电池，直径为18mm，高为65mm，容量为2600mAh。由文献[19]可知，随着荷电量的逐渐增加，锂电池的危险性也在增加，为了最大可能地保证锂电池的安全性，实验选用100%荷电量的锂离子电池进行研究。电池由直线型卡套固定放置在舱内平台上，热电偶放置在电池侧壁并与无纸记录仪连接，如图2所示。细水雾喷头位于电池卡套正上方15cm基金项目：国家自然科学基金委员会与中国民用航空局联合资助项目（U1333121）;中央高校基本科研业务费资助项目（3122015D002）；中央高校基本科研业务费资助项目（ZYGX2018002）消防科学与技术2018年9月第37卷第9期1211
修改时间：2018年09月05日15:01:54处，驱动恒定压力为2MPa，通过量杯法测得流通量为20mL/s，当第一节电池发生二次燃爆出现火花时，开始施加300mL的细水雾。加12热第第第3第4棒节1节2节3节4图2电池排布图1.2添加剂配方组成添加剂配方组成见表1所示。其中，碳氢表面活性剂和氟表面活性剂可以大幅度降低细水雾的表面张力，并能减少细水雾的雾滴直径，增加细水雾的蒸发效率。乳酸钠作为有机盐，不仅可以发挥钠盐的化学抑制作用，相比无机盐类对金属的腐蚀性更小；尿素作为化学添加剂不仅可以增强细水雾的化学灭火作用还可以遇热分解吸收大量的热并产生惰性气体，加强物理灭火作用。N，N-二甲基甲酰胺的作用是溶解剂，使得上述物质更容易混合，形成均匀的混合物。表1给出了复合添加剂配方，在进行细水雾抑制池火灾时，将溶液加水稀释10~20倍。表1复合添加剂配方组成组分名称作用质量分数FC-4氟表面活性剂6.0%烷基酚聚氧乙醚碳氢表面活性剂3.5%乳酸钠化学灭火盐类3.0%尿素受热易分解物质8.5%N,N-二甲基甲酰胺溶剂15.0%蒸馏水-----64.0%2实验结果与分析为了全面分析、综合评价复合添加剂对细水雾抑制锂电池热失控性能的影响，改变复合添加剂的浓度，进行了21组实验，其中未添加复合添加剂的纯细水雾作为对照组，每组实验均重复进行3次，取平均值作为实验数据进行比较分析。2.1复合添加剂对细水雾抑制锂电池热失控性能影响图3给出了不同浓度的复合添加剂细水雾施加后第一节电池达到的最大温度。从图3可以看出，在含复合添加剂细水雾的作用下，第一节电池的最高温度均比纯水细水雾要低，并随着复合添加剂浓度的增加逐渐降低，随后小幅度上升后又下降，最后呈现上升趋势。其中，质量分数为3.5%的复合添加剂细水雾作用下第一节电池最高温度最低。为了更加清晰地分析复合添加剂细水雾对锂电池热失控性能的影响，图4和图5给出了纯细水雾以及不同浓度添加剂作用下4节电池的温度变化趋势。从图5可以50℃600/度550温51%2%3%4%添加剂质量分数图3第一节电池最高温度变化趋势图看出，不同浓度的复合添加剂施加后，第一节电池温度并非立即发生下降而是有一段继续上升的时间，这是因为锂电池火灾机理非常复杂，与普通火灾有着非常大的区别，当锂电池内部温度达到70℃时开始进行一系列化学反应，紧接着随着温度持续升高，内部反应更加剧烈，最终释放出大量的气体和热量导致火灾发生。当施加含添加剂的细水雾后，雾滴吸收大量热量，降低了火焰区的温度，但是锂电池内部化学反应仍在继续，放热仍在进行，此时产热仍大于散热，故温度继续增加。但随着细水雾雾滴逐渐增多、复合添加剂逐渐发挥作用，温度最终呈现下降趋势，这一点在图中清晰地反映了出来。800700722.7 ℃第一节600500555.9 ℃第二节第三节℃第四节/度400温3600时间1 000/s1 4001 800图4纯细水雾对多节电池温度的影响当第一节电池发生热失控之后，其散发的能量足以引发邻近的电池继续发生热失控，因此讨论含复合添加剂细水雾抑制多节电池火灾的效果是十分有必要的。从图5可以清晰看到，含复合添加剂细水雾施加后没有出现第二节电池的燃爆现象，这与纯细水雾表现出来的现象一致，说明加入复合添加剂后仍然可以抑制锂电池热失控的传播，但在抑制锂电池热失控性能上却与纯细水雾有很大差别，下降温度比纯细水雾低且冷却速率比纯细水雾大，复升后的温度也比纯细水雾低。为清晰对比不同浓度产生的影响，表2给出了每一种添加剂施加后每节电池的最高温度、冷却速率以及第一节电池出现第二个峰值的温度等3个指标。从表2可以看到：不同浓度复合添加剂作用后第二、三、四节电池的最高温度均低于180℃，处在热失控临界温度以下，这与实验现象相符合；还可知加入添加剂后冷却速率得到大幅度上升，其中质量分数为4.0%时最大，质量分数为3.5%时居于第二位，质量分数为2.0%时最小；第一节电池二次温度峰值最小的为含添加剂质量分数为4.5%，最大的为2.0%。鉴于锂电池火灾与细水雾作用的复杂性，仅凭借一个指标无法准确评价抑制效果，需要对上述三个指标进行综FireScienceandTechnology，September2018,Vol37,No.9
修改时间：2018年09月05日15:01:548.8 ℃温度/℃4500温度/℃423.9 ℃425.5 ℃337.1 ℃温度/℃500第一节第二节第三节第四节8第一节第二节第三节第四节838.8 ℃457.4 ℃第一节第二节第三节第四节1 000时间/s1 5002 000时间/s1 4001 8 000时间/s1 4001 800（a）2.0%800700600第一节第二节第三节第四节800700600（b）2.5%645.2 ℃第一节第二节第三节第四节800700600（c）3.0%672.6 ℃第一节第二节第三节第四节4200398.6 ℃314.9 ℃4温度/℃温度/℃温度/℃500500342.5 ℃500200.9 ℃6001 000时间/s1 4001 8 000时间/s1 4001 8 000时间/s1 4001 800（d）3.5%图5（e）4.0%不同浓度添加剂对多节电池温度影响趋势图（f）4.5%合分析。当质量分数为2.0%时，冷却速率最小，第一节电池温度最高，且二次温度峰值也最高，故该浓度下作用效果最差；质量分数为3.0%时，其冷却速率较低，造成第二节电池温度较高，危险系数较高；而质量分数为4.0%时，冷却速率最大，虽说第一节电池温度高，但凭借高冷却速率，第二节电池温度及后两节电池温度均较低，故认为质量分数为4.0%时细水雾抑制锂电池火灾性能效果最好。表2浓度0.0%2.0%2.5%3.0%3.5%4.0%4.5%不同浓度复合添加剂抑制锂电池热失控性能评价表电池最高温度/℃第一节722.7689.8425.5457.4396.8645.2672.6第二节105.4120.098.591.1111.698.591.1第三节56.359.960.049.260.051.544.4第四节36.045.943.441.747.038.439.9冷却速率/℃/s7.1314.2532.4023.0037.4876.2417.19二次温度峰值/℃555.9423.9337.1238.8314.9342.5200.9水雾的化学灭火作用，使得电池表面温度出现大幅度下降。但是，该复合添加剂中乳酸钠的含量较少，故其化学灭火作用增强效果有限，这也造成温度下降到一定值后复升，形成第二次温度高峰。添加剂中的尿素属于受热易分解物质，当温度高于130℃时会发生热分解产生CO2、NH3等惰性气体，从而稀释氧气浓度起到气体灭火的作用，并且分解时吸收大量的热，从而降低了火焰温度，增强了细水雾的物理吸热作用。另外两种添加剂FC-4（即季铵盐型碳氟阳离子氟表面活性剂）和烷基酚聚氧乙醚属于表面活性剂，其主要作用是降低水的表面张力，使得水滴能迅速在水面铺展开，形成一层水膜从而达到隔绝氧气以及减少热反馈，促进火焰熄灭。而更重要的是FC-4可以降低细水雾雾滴粒径，促进细水雾的蒸发吸热能力，使温度降低，同样增强了细水雾的物理吸热作用。虽然乳酸钠的化学增强作用有限，但是这三种添加剂的物理增加效果却比较明显，不仅使得温度在达到最高温度后急剧降低，还使得第二次的温度峰值均低于纯细水雾，并最终形成下降趋势。因此，含复合添加剂细水雾抑制锂电池火灾属于化学与物理两种作用耦合的结果。3结论通过模拟含复合添加剂细水雾抑制锂电池火灾实验，研究不同添加剂浓度对细水雾抑制锂电池火灾性能的影响，得到如下结论：（1）实验配置的复合添加剂可以有效增强细水雾的灭火性能。每种添加剂浓度作用下均未出现第二次燃爆现象；且与纯水细水雾相比冷却速率较大，第一节电池最高温度、二次温度峰值较低。12132.2含复合添加剂细水雾抑制火灾机理分析细水雾抑制火灾的机理普遍认为主要有以下方面：冷却吸热、稀释氧浓度以及衰减热辐射。加入添加剂后改变了水的理化特性，所以其灭火机理必定会发生改变。本实验中所选用的添加剂为复合添加剂，其中大多数组分对细水雾灭火机理均产生了影响。添加剂中所选用的乳酸钠属于有机盐类，选用此种添加剂主要是因为其在水溶液中不易发生电离，与无机盐类相比，腐蚀性大大降低，同样可在高温环境中分解出Na，可以与烃类物质燃烧链反应中的活性自由基O·、H·、·OH发生反应，从而阻断链式反应，达到抑制火焰燃烧的结果。该类物质增强了细消防科学与技术2018年9月第37卷第9期+
修改时间：2018年09月05日15:01:54（2）复合添加剂存在着效果最好的添加剂浓度。对于锂电池火灾而言，通过对电池最高温度、冷却速率以及第二次峰值温度等指标进行综合评价，本实验灭火效果最好的添加剂浓度为4.0%。（3）实验选用的添加剂为多种组分，其中乳酸钠增强了细水雾的化学灭火作用，尿素和表面活性剂增强了细水雾的物理吸热作用。抑制锂电池火灾的灭火机理是物理作用和化学作用的耦合。参考文献：[1]KOKSBANGR,OSLENII,ofhybridpolymerelectrolytes[J].SolidStateIonics,1994,69:320-335.[2]toryofpolymerelectrolytes[J].SolidStateIonics,1994,69:309-319.[3]冯祥明,郑金云,李荣富,等.锂离子电池安全[J].电源技术,2009,33(1):7-9.[4]oncargoandpassengerbaggageincidentsinvolvingsmoke,fire,extremeheatorexplosion[R].FAAOfficeofSecurityandHazardousMaterialsSafety,2013.[5]FAA,Flammabilityassessmentofbulk-packed,rechargeablelith⁃ium-ioncellsintransportcategoryaircraft[C]//DOT/FAA/AR-06/38,2006.[6]FAA,Extinguishmentoflithium-ionandlithium-metalbatteryFires[C]//DOT/FAA/TC-13/53,2014.[7]余明高,廖光煊,张和平,等.哈龙替代产品的研究现状及发展趋势[J].火灾科学,2002,11(2):108-112.[8]姚斌,廖光煊.细水雾抑制扩散火焰的研究[J].中国科学技术大学学报,1998，(5):610-617.[9]LIUZG,wofwatermistfiresuppressionsys⁃tems-fundamentalstudies[J].JournalofFireProtectionEngineer⁃ing,1999,10(3):32-50.[10]ppressionperformanceofwatermistsystemswithadditives[C]//InternationalSymposiumonSafetyScienceandTechnology,2000.[11]孙智灏,蒋军成,展望,等.含表面活性剂细水雾的灭火性能[J].南京工业大学学报(自然科学版),2014,36(4):74-78.[12]刘惠平,吴波,周子琨,等.聚氧乙烯型非离子表面活性剂在细水雾灭火中的应用[J].消防科学与技术,2015,34(1):92-95.[13]罗星娜,张青松,戚瀚鹏,等.基于计算流体动力学的锂离子电池热失控多米诺效应研究[J].科学技术与工程,2014,14(33):327-332.[14]徐越群,吴晋湘,张瑞.含NaCl添加剂细水雾灭柴油油池火试验[J].消防科学与技术,2017,36(5):660-662.[15]刘中麟,范秀山.KHCO3作为细水雾添加剂灭火有效性研究[J].化工管理,2014,(24):32.[16]赵乘寿,宫聪,汪鹏,等.含磷酸二氢铵细水雾灭火有效性研究[J].消防科学与技术,2011,30(9):822-824.[17]丛北华,周晓猛,廖光煊.复合型添加剂增强细水雾灭火性能研究[J].中国科学技术大学学报,2006,36(1):20-25.[18]于水军,余明高,郝强,等.含复合化学添加剂细水雾抑制煤油池火的机理[J].煤炭学报,2008,33(3):304-309.[19]张青松,戚瀚鹏,罗星娜,等.电量影响下的锂离子电池热稳定性研1214
2024年2月20日发(作者：归诗翠)
修改时间：2018年09月05日15:01:54电脑XF-C排图文zw校对灭火系统设计含复合添加剂细水雾抑制锂电池火灾效果分析张青松，程相静，白伟（中国民航大学飞机防火与应急研究所，天津300399）摘要：利用自主设计的实验平台，探究含复合添加剂的细验，并分析含复合添加剂细水雾的作用机理，为实际抑制锂电池火灾提供科学依据。11.1实验方法实验装置细水雾抑制锂电池火灾实验在自主搭建的实验平台上进行。实验平台分为实验舱体、加热装置、测温装置、细水雾生成装置以及摄像装置，如图1所示。实验舱体有效内径为50cm，有效长度为50cm，材质为304钢材，舱门处设置有观察窗，便于观察；在舱体侧方设有开口，且在上方设有直径约8cm的法兰用于连接喷头。加热装置主要由程序升温仪以及直径为18mm、功率为150W的加热棒组成。测温装置包括WRNK-191铠装式热电偶（测温范围为：0~1100℃）以及无纸记录仪，可以将实验过程中的温度变化记录下来，并通过特定程序导出数据，以便于分析。细水雾生成装置包括压力型雾化喷头（单个喷头上集聚4个雾化喷嘴）和手动雾化机。喷头无纸记录仪加热棒热电偶摄像机电池手动雾化机舱门观察窗水雾对锂电池火灾的抑制效果。分析在添加剂质量分数为0~4.5%的细水雾作用下电池冷却速率、最高温度的变化趋势以及复合添加剂的灭火机理。结果表明：在细水雾中加入复合添加剂能大大提高细水雾抑制锂电池火灾的能力；复合添加剂质量分数为4.0%时抑制效果最佳；复合添加剂主要通过增大物理吸热能力以及捕捉化学自由基起到增强细水雾灭火性能的作用。关键词：细水雾；复合添加剂；锂电池火灾；灭火效果中图分类号：X949，TU892，TM911文献标志码：A文章编号：1009-0029（2018）09-1211-04随着锂离子电池（以下简称“锂电池”）的应用越来越广泛，锂电池极有可能成为新世纪的主导绿色电源，但在挤压、穿刺、过热等情况下，锂电池内部热效应会急剧增加，而锂电池是热的不良导体，热量大量聚集无法散出，易导致热失控发生。特别在航空运输过程中，因锂电池引发的火灾不仅会造成财物损失，更严重的是会直接导致人员伤亡。美国联邦航空局曾做了大量实验，以选择可抑制锂电池热失控的灭火剂。实验结果表明：细水雾可有效抑制锂电池火灾，而现在飞机上常备的哈龙灭火剂却是无效的。细水雾凭借其高效、清洁、环保等优点脱颖而出，成为最有发展前景的哈龙替代技术。但在通风良好的环境中，细水雾抑制火灾的效果较差，并且由于水物理作用的局限性，使得细水雾灭火性能远不如化学灭火剂。因此，进一步提高细水雾的灭火性能，使其成为高效、应用面广的灭火剂是当今火灾领域的研究热点问题。在细水雾中加入不同的添加剂可以有效弥补上述不足，添加剂可以分为化学和物理添加剂两大类，其中对于物理添加剂的研究多集中于表面活性剂，对于化学添加剂的研究包括NaCl、FeCl2、KHCO3、NH4H2PO4等。上述研究均为单一添加剂的加入对细水雾灭火性能的影响，而对于复合添加剂的研究较少，如丛北华等研究了自制复合添加剂对细水雾灭火性能的影响，并得出添加剂的最佳灭火浓度；于水军等比较了纯细水雾与含复合添加剂细水雾的灭火机理，认为含复合添加剂细水雾的作用机理是物理与化学共同作用。对于锂电池火灾而言，使用含复合添加剂细水雾进行抑制的则是更少。笔者在以往研究的基础上，分析比较国内外复合添加剂的配方，配置适合抑制锂电池火灾的细水雾复合添加剂配方，进行抑制锂电池火灾实（a）示意图（b）实物图图1实验装置图本实验所用电池为18650型锂离子电池，直径为18mm，高为65mm，容量为2600mAh。由文献[19]可知，随着荷电量的逐渐增加，锂电池的危险性也在增加，为了最大可能地保证锂电池的安全性，实验选用100%荷电量的锂离子电池进行研究。电池由直线型卡套固定放置在舱内平台上，热电偶放置在电池侧壁并与无纸记录仪连接，如图2所示。细水雾喷头位于电池卡套正上方15cm基金项目：国家自然科学基金委员会与中国民用航空局联合资助项目（U1333121）;中央高校基本科研业务费资助项目（3122015D002）；中央高校基本科研业务费资助项目（ZYGX2018002）消防科学与技术2018年9月第37卷第9期1211
修改时间：2018年09月05日15:01:54处，驱动恒定压力为2MPa，通过量杯法测得流通量为20mL/s，当第一节电池发生二次燃爆出现火花时，开始施加300mL的细水雾。加12热第第第3第4棒节1节2节3节4图2电池排布图1.2添加剂配方组成添加剂配方组成见表1所示。其中，碳氢表面活性剂和氟表面活性剂可以大幅度降低细水雾的表面张力，并能减少细水雾的雾滴直径，增加细水雾的蒸发效率。乳酸钠作为有机盐，不仅可以发挥钠盐的化学抑制作用，相比无机盐类对金属的腐蚀性更小；尿素作为化学添加剂不仅可以增强细水雾的化学灭火作用还可以遇热分解吸收大量的热并产生惰性气体，加强物理灭火作用。N，N-二甲基甲酰胺的作用是溶解剂，使得上述物质更容易混合，形成均匀的混合物。表1给出了复合添加剂配方，在进行细水雾抑制池火灾时，将溶液加水稀释10~20倍。表1复合添加剂配方组成组分名称作用质量分数FC-4氟表面活性剂6.0%烷基酚聚氧乙醚碳氢表面活性剂3.5%乳酸钠化学灭火盐类3.0%尿素受热易分解物质8.5%N,N-二甲基甲酰胺溶剂15.0%蒸馏水-----64.0%2实验结果与分析为了全面分析、综合评价复合添加剂对细水雾抑制锂电池热失控性能的影响，改变复合添加剂的浓度，进行了21组实验，其中未添加复合添加剂的纯细水雾作为对照组，每组实验均重复进行3次，取平均值作为实验数据进行比较分析。2.1复合添加剂对细水雾抑制锂电池热失控性能影响图3给出了不同浓度的复合添加剂细水雾施加后第一节电池达到的最大温度。从图3可以看出，在含复合添加剂细水雾的作用下，第一节电池的最高温度均比纯水细水雾要低，并随着复合添加剂浓度的增加逐渐降低，随后小幅度上升后又下降，最后呈现上升趋势。其中，质量分数为3.5%的复合添加剂细水雾作用下第一节电池最高温度最低。为了更加清晰地分析复合添加剂细水雾对锂电池热失控性能的影响，图4和图5给出了纯细水雾以及不同浓度添加剂作用下4节电池的温度变化趋势。从图5可以50℃600/度550温51%2%3%4%添加剂质量分数图3第一节电池最高温度变化趋势图看出，不同浓度的复合添加剂施加后，第一节电池温度并非立即发生下降而是有一段继续上升的时间，这是因为锂电池火灾机理非常复杂，与普通火灾有着非常大的区别，当锂电池内部温度达到70℃时开始进行一系列化学反应，紧接着随着温度持续升高，内部反应更加剧烈，最终释放出大量的气体和热量导致火灾发生。当施加含添加剂的细水雾后，雾滴吸收大量热量，降低了火焰区的温度，但是锂电池内部化学反应仍在继续，放热仍在进行，此时产热仍大于散热，故温度继续增加。但随着细水雾雾滴逐渐增多、复合添加剂逐渐发挥作用，温度最终呈现下降趋势，这一点在图中清晰地反映了出来。800700722.7 ℃第一节600500555.9 ℃第二节第三节℃第四节/度400温3600时间1 000/s1 4001 800图4纯细水雾对多节电池温度的影响当第一节电池发生热失控之后，其散发的能量足以引发邻近的电池继续发生热失控，因此讨论含复合添加剂细水雾抑制多节电池火灾的效果是十分有必要的。从图5可以清晰看到，含复合添加剂细水雾施加后没有出现第二节电池的燃爆现象，这与纯细水雾表现出来的现象一致，说明加入复合添加剂后仍然可以抑制锂电池热失控的传播，但在抑制锂电池热失控性能上却与纯细水雾有很大差别，下降温度比纯细水雾低且冷却速率比纯细水雾大，复升后的温度也比纯细水雾低。为清晰对比不同浓度产生的影响，表2给出了每一种添加剂施加后每节电池的最高温度、冷却速率以及第一节电池出现第二个峰值的温度等3个指标。从表2可以看到：不同浓度复合添加剂作用后第二、三、四节电池的最高温度均低于180℃，处在热失控临界温度以下，这与实验现象相符合；还可知加入添加剂后冷却速率得到大幅度上升，其中质量分数为4.0%时最大，质量分数为3.5%时居于第二位，质量分数为2.0%时最小；第一节电池二次温度峰值最小的为含添加剂质量分数为4.5%，最大的为2.0%。鉴于锂电池火灾与细水雾作用的复杂性，仅凭借一个指标无法准确评价抑制效果，需要对上述三个指标进行综FireScienceandTechnology，September2018,Vol37,No.9
修改时间：2018年09月05日15:01:548.8 ℃温度/℃4500温度/℃423.9 ℃425.5 ℃337.1 ℃温度/℃500第一节第二节第三节第四节8第一节第二节第三节第四节838.8 ℃457.4 ℃第一节第二节第三节第四节1 000时间/s1 5002 000时间/s1 4001 8 000时间/s1 4001 800（a）2.0%800700600第一节第二节第三节第四节800700600（b）2.5%645.2 ℃第一节第二节第三节第四节800700600（c）3.0%672.6 ℃第一节第二节第三节第四节4200398.6 ℃314.9 ℃4温度/℃温度/℃温度/℃500500342.5 ℃500200.9 ℃6001 000时间/s1 4001 8 000时间/s1 4001 8 000时间/s1 4001 800（d）3.5%图5（e）4.0%不同浓度添加剂对多节电池温度影响趋势图（f）4.5%合分析。当质量分数为2.0%时，冷却速率最小，第一节电池温度最高，且二次温度峰值也最高，故该浓度下作用效果最差；质量分数为3.0%时，其冷却速率较低，造成第二节电池温度较高，危险系数较高；而质量分数为4.0%时，冷却速率最大，虽说第一节电池温度高，但凭借高冷却速率，第二节电池温度及后两节电池温度均较低，故认为质量分数为4.0%时细水雾抑制锂电池火灾性能效果最好。表2浓度0.0%2.0%2.5%3.0%3.5%4.0%4.5%不同浓度复合添加剂抑制锂电池热失控性能评价表电池最高温度/℃第一节722.7689.8425.5457.4396.8645.2672.6第二节105.4120.098.591.1111.698.591.1第三节56.359.960.049.260.051.544.4第四节36.045.943.441.747.038.439.9冷却速率/℃/s7.1314.2532.4023.0037.4876.2417.19二次温度峰值/℃555.9423.9337.1238.8314.9342.5200.9水雾的化学灭火作用，使得电池表面温度出现大幅度下降。但是，该复合添加剂中乳酸钠的含量较少，故其化学灭火作用增强效果有限，这也造成温度下降到一定值后复升，形成第二次温度高峰。添加剂中的尿素属于受热易分解物质，当温度高于130℃时会发生热分解产生CO2、NH3等惰性气体，从而稀释氧气浓度起到气体灭火的作用，并且分解时吸收大量的热，从而降低了火焰温度，增强了细水雾的物理吸热作用。另外两种添加剂FC-4（即季铵盐型碳氟阳离子氟表面活性剂）和烷基酚聚氧乙醚属于表面活性剂，其主要作用是降低水的表面张力，使得水滴能迅速在水面铺展开，形成一层水膜从而达到隔绝氧气以及减少热反馈，促进火焰熄灭。而更重要的是FC-4可以降低细水雾雾滴粒径，促进细水雾的蒸发吸热能力，使温度降低，同样增强了细水雾的物理吸热作用。虽然乳酸钠的化学增强作用有限，但是这三种添加剂的物理增加效果却比较明显，不仅使得温度在达到最高温度后急剧降低，还使得第二次的温度峰值均低于纯细水雾，并最终形成下降趋势。因此，含复合添加剂细水雾抑制锂电池火灾属于化学与物理两种作用耦合的结果。3结论通过模拟含复合添加剂细水雾抑制锂电池火灾实验，研究不同添加剂浓度对细水雾抑制锂电池火灾性能的影响，得到如下结论：（1）实验配置的复合添加剂可以有效增强细水雾的灭火性能。每种添加剂浓度作用下均未出现第二次燃爆现象；且与纯水细水雾相比冷却速率较大，第一节电池最高温度、二次温度峰值较低。12132.2含复合添加剂细水雾抑制火灾机理分析细水雾抑制火灾的机理普遍认为主要有以下方面：冷却吸热、稀释氧浓度以及衰减热辐射。加入添加剂后改变了水的理化特性，所以其灭火机理必定会发生改变。本实验中所选用的添加剂为复合添加剂，其中大多数组分对细水雾灭火机理均产生了影响。添加剂中所选用的乳酸钠属于有机盐类，选用此种添加剂主要是因为其在水溶液中不易发生电离，与无机盐类相比，腐蚀性大大降低，同样可在高温环境中分解出Na，可以与烃类物质燃烧链反应中的活性自由基O·、H·、·OH发生反应，从而阻断链式反应，达到抑制火焰燃烧的结果。该类物质增强了细消防科学与技术2018年9月第37卷第9期+
修改时间：2018年09月05日15:01:54（2）复合添加剂存在着效果最好的添加剂浓度。对于锂电池火灾而言，通过对电池最高温度、冷却速率以及第二次峰值温度等指标进行综合评价，本实验灭火效果最好的添加剂浓度为4.0%。（3）实验选用的添加剂为多种组分，其中乳酸钠增强了细水雾的化学灭火作用，尿素和表面活性剂增强了细水雾的物理吸热作用。抑制锂电池火灾的灭火机理是物理作用和化学作用的耦合。参考文献：[1]KOKSBANGR,OSLENII,ofhybridpolymerelectrolytes[J].SolidStateIonics,1994,69:320-335.[2]toryofpolymerelectrolytes[J].SolidStateIonics,1994,69:309-319.[3]冯祥明,郑金云,李荣富,等.锂离子电池安全[J].电源技术,2009,33(1):7-9.[4]oncargoandpassengerbaggageincidentsinvolvingsmoke,fire,extremeheatorexplosion[R].FAAOfficeofSecurityandHazardousMaterialsSafety,2013.[5]FAA,Flammabilityassessmentofbulk-packed,rechargeablelith⁃ium-ioncellsintransportcategoryaircraft[C]//DOT/FAA/AR-06/38,2006.[6]FAA,Extinguishmentoflithium-ionandlithium-metalbatteryFires[C]//DOT/FAA/TC-13/53,2014.[7]余明高,廖光煊,张和平,等.哈龙替代产品的研究现状及发展趋势[J].火灾科学,2002,11(2):108-112.[8]姚斌,廖光煊.细水雾抑制扩散火焰的研究[J].中国科学技术大学学报,1998，(5):610-617.[9]LIUZG,wofwatermistfiresuppressionsys⁃tems-fundamentalstudies[J].JournalofFireProtectionEngineer⁃ing,1999,10(3):32-50.[10]ppressionperformanceofwatermistsystemswithadditives[C]//InternationalSymposiumonSafetyScienceandTechnology,2000.[11]孙智灏,蒋军成,展望,等.含表面活性剂细水雾的灭火性能[J].南京工业大学学报(自然科学版),2014,36(4):74-78.[12]刘惠平,吴波,周子琨,等.聚氧乙烯型非离子表面活性剂在细水雾灭火中的应用[J].消防科学与技术,2015,34(1):92-95.[13]罗星娜,张青松,戚瀚鹏,等.基于计算流体动力学的锂离子电池热失控多米诺效应研究[J].科学技术与工程,2014,14(33):327-332.[14]徐越群,吴晋湘,张瑞.含NaCl添加剂细水雾灭柴油油池火试验[J].消防科学与技术,2017,36(5):660-662.[15]刘中麟,范秀山.KHCO3作为细水雾添加剂灭火有效性研究[J].化工管理,2014,(24):32.[16]赵乘寿,宫聪,汪鹏,等.含磷酸二氢铵细水雾灭火有效性研究[J].消防科学与技术,2011,30(9):822-824.[17]丛北华,周晓猛,廖光煊.复合型添加剂增强细水雾灭火性能研究[J].中国科学技术大学学报,2006,36(1):20-25.[18]于水军,余明高,郝强,等.含复合化学添加剂细水雾抑制煤油池火的机理[J].煤炭学报,2008,33(3):304-309.[19]张青松,戚瀚鹏,罗星娜,等.电量影响下的锂离子电池热稳定性研1214