消防救援鋰離子電池火災及初期處置對策方法

消防救援鋰離子電池火災及初期處置對策方法

鋰離子電池基本認識所謂「知己知彼，百戰(zhàn)百勝」，我們從鋰離子電池的基本構(gòu)造開始介紹，其主要的構(gòu)造由：正極、負極、隔膜、電解液（鋰鹽加有機溶劑構(gòu)成）組成，如果依其組成常見的分類如下述：一、磷酸鐵鋰電池系指以磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。其特色為不含鈷等貴重元素，原料價格低且磷、鐵存在于地球資源含量豐富，不會有供料問題，其工作電壓適中，單位重量下電容量大的高放電功率，可快速充電且循環(huán)壽命長，在高溫與高熱環(huán)境下的穩(wěn)定性高。相較目前常見的三元鋰電池來說，磷酸鐵鋰電池至少具有以下優(yōu)點：安全性高、使用壽命長、不含任何重金屬和稀有金屬（意即原材料成本低）、可快速充電、工作溫度范圍廣。因此，世界電動車霸主TESLA也由三元鋰電池轉(zhuǎn)向以磷酸鐵鋰電池為動力使用。但磷酸鐵鋰電池也存在一些性能上的缺點：壓實密度很低，導致鋰離子電池的能量密度較低；雖然材料取得成本較低，但半成品的制造及準備與電池的制造成本卻相對較高；產(chǎn)品一致性差及低溫時性能會明顯受到影響等。二、三元鋰電池正極材料常使用鎳鈷錳酸鋰（Li〈NiCoMn〉O2），負極通常是石墨。能量密度大，因此常被廣泛使用。三元鋰電池主要有鎳鈷鋁酸鋰電池，但由于鎳鈷鋁的高溫結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，致使易產(chǎn)生高溫，進而引發(fā)危險，也因此其安全性問題常受到懷疑。之所以會有這樣的原因是由于，即使磷酸鐵鋰與鎳鈷錳酸鋰這兩種材料都會在到達一定溫度時發(fā)生分解，不過三元鋰材料相比于磷酸鐵鋰電池會在較低溫下發(fā)生分解，且三元鋰材料的化學反應(yīng)較為劇烈，可能會釋放氧分子，于高溫作用下電解液迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應(yīng)。換句話說，就是三元鋰材料比磷酸鐵鋰材料更容易著火。正因為三元鋰材料有這樣的安全隱患，因此根據(jù)三元鋰材料容易熱解的特性，廠商為抑制事故發(fā)生，在過充保護，過放保護，過溫保護，過流保護這幾個安全保護措施上都下不少的功夫，以防止三元鋰電池之燃燒。導致鋰離子電池燃燒的常見原因鋰離子電池火災常見起火燃燒原因有下述幾項：一、產(chǎn)品瑕疪。

二、不正確的使用。

三、重摔撞擊造成電池芯、隔膜受損而導致鋰離子電池的異常進而造成火災。在鋰離子電池中一定會存在的失效風險，稱之為熱失控（thermalrunaway）。熱失控主要是因電池內(nèi)部異常，造成溫度上升的一連串反應(yīng)。目前鋰離子電池中常見的的電解液是以鋰鹽加上有機溶劑所組成，具有揮發(fā)性高、閃點低及易燃燒等特性。當受沖撞或因變形引起的內(nèi)部短路及過充等種種因素，便會產(chǎn)生大量的熱，導致電池溫度上升且高達一定溫度時，產(chǎn)生一系列的分解反應(yīng)，使電池的熱平衡遭受破壞。當釋放出的熱無法即時溢散時，便會加劇反應(yīng)的進行，并引起一連串的放熱反應(yīng)，溫度急劇升高，導致電池燃燒，嚴重時甚至發(fā)生爆炸，此現(xiàn)象即是「熱失控」。鋰離子電池熱失控原因主要集中在電解液對于熱的不穩(wěn)定性，而常見導致的因素如下：鋰離子電池熱失控常見導致的因素一、內(nèi)部短路由于電池的濫用，如掉落、擠壓、撞擊、過充過放導致內(nèi)部的枝晶與電池生產(chǎn)過程中的雜質(zhì)灰塵等，將惡化生成刺穿隔膜，產(chǎn)生微短路，電能量的釋放導致溫升，溫升帶來的材料化學反應(yīng)又擴大了短路路徑，形成了更大的短路電流，這種互相累積的互相增強的破壞，導致熱失控。二、外部短路外部短路最常因在人為操作不當而產(chǎn)生，由于外部短路造成電池放電電流過大，易使電芯發(fā)熱，而高溫則會使電芯內(nèi)部的隔膜損壞，造成內(nèi)部短路，因而燃燒爆炸。三、外部高溫由于鋰離子電池結(jié)構(gòu)的特性，在遇高溫情況下內(nèi)部構(gòu)造、電解液會發(fā)生反應(yīng)，并造成一連串化學反應(yīng)，多種反應(yīng)導致大量熱量產(chǎn)生。隔膜融化進而導致電池內(nèi)部短路，眾多能量的釋放又增加電池內(nèi)部熱量產(chǎn)生。這一連串的作用，最終導致防爆膜破裂，電解液噴出，發(fā)生起火燃燒。四、電池過充電池過充將使電池內(nèi)部產(chǎn)生化學變化，并長出樹枝狀結(jié)晶，穿破隔膜使正負極短路，緊而導致產(chǎn)生一系列化學變化而起火燃燒。因此，經(jīng)由上述常見導致危害的因素中，當鋰離子電池如發(fā)生爆炸燃燒時，如以一般火災方式滅火，則容易引起周遭鋰離子電池的連鎖反應(yīng)，進而產(chǎn)生大規(guī)模的災害。需具備的個人防護裝備及搶救滅火方法由于鋰離子電池使用已經(jīng)深入在民眾日常生活中，不管是手機、電腦、汽車、機車等移動式型態(tài)；或是充電站、換電池站、儲能柜等固定式型態(tài)，都是消防人員可能會面臨到的危險，如何小心謹慎應(yīng)對將是消防人員的一大課題，下述為建議方式：一、適當?shù)难b備由于鋰離子電池燃燒甚至爆炸，過程中會產(chǎn)生對于人體有腐蝕性及有毒性等危害氣體，危害到第一線消防人員之皮膚或呼吸道等粘膜組織，另外也有可能有觸電的風險，所以全套PPE（消防帽、面罩、空氣呼吸器、頭套、消防衣、消防褲、手套、消防鞋）是必備的裝備，并且要于危險發(fā)生前，完成正確的穿著并且先與鋰離子電池保持適當?shù)陌踩嚯x，評估現(xiàn)場環(huán)境才能防止不必要的傷害。搶救過程中，消防人員待命區(qū)域的選擇也是一大課題，需選擇相對高處且上風處，避免有毒救災廢水與有毒氣體危害待命人員。二、適當?shù)耐L環(huán)境鋰離子電池火災通常會產(chǎn)生大量擁有可燃性、腐蝕性與毒性之危害氣體，在適當?shù)臈l件下易引起燃燒甚至爆炸。若救災環(huán)境允許的話，請盡量建立有效通風，使救災環(huán)境能排除危害氣體，以降低危害因子，減少消防人員危害風險；如在密閉環(huán)境下，在建立任何開口時皆應(yīng)特別注意，因內(nèi)部環(huán)境已長時間悶燒，建立開口容易造成大量氧氣的竄入，建立完整的燃燒三要素（可燃物、助燃物、熱能）從而引發(fā)現(xiàn)場之快速燃燒或爆燃。三、足夠的水源供救災使用如果到達現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)為鋰離子電池火災時，應(yīng)考慮現(xiàn)場水源是否能有效滅火。因為鋰離子電池火災若僅撲滅其表面火焰，是無法完整中斷其化學反應(yīng)，電池內(nèi)部通常還會有極高的溫度，且鋰離子電池特殊的熱失控現(xiàn)象，會持續(xù)發(fā)生且容易產(chǎn)生再度復燃現(xiàn)象。為此，必須使用大量的水持續(xù)降溫，直至鋰離子電池內(nèi)化學反應(yīng)結(jié)束，才可避免造成再次復燃的可能。四、搭配熱顯像儀進行救災消防人員執(zhí)行鋰離子電池火災的滅火攻擊時，可藉由熱顯像儀來監(jiān)測溫度，以確保鋰離子電池溫度降至安全范圍，避免只撲滅表面火焰，而誤以為滅火完成而造成電池復燃現(xiàn)象。五、電動車火災初期處理如遇電動車、固定式充電站等鋰離子電池設(shè)備起火，應(yīng)先移除附近可燃物避免火勢擴大延燒。且在安全狀況允許下同時聯(lián)絡(luò)業(yè)者，并應(yīng)予以設(shè)備斷電，進而避免不必要的二次危害。就算是系統(tǒng)斷電，鋰離子電池本身還是會有余電存在，故在搶救時應(yīng)隨時注意，避免觸電危害。電動車初期處理的基本流程應(yīng)涵蓋：1.穿著完整個人防護裝備。

2.建立安全作業(yè)區(qū)域。

3.電動車車種的辨識，如果可以確認車種進而可參考內(nèi)政部消防署網(wǎng)站的油電車緊急救援手冊進行搶救或原廠作業(yè)規(guī)定進行搶救。

4.隨時利用聽覺、視覺等多種感官判斷潛在危險因子。

5.穩(wěn)固車輛。

6.建立大量水源備援及在安全距離下進行滅火。

7.依據(jù)現(xiàn)場救災資源及車輛狀況選擇適當滅火戰(zhàn)術(shù)（攻擊、防守、頂撐）。

8.依據(jù)各車種執(zhí)行斷電程序及人命救助。

9.TIC持續(xù)觀察電池模組溫度。

10.長時間的靜置觀察電池溫度有無升高、復燃。六、儲能柜火災如果到達現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)為儲能柜火災，千萬不可因為只見有些許白煙冒出，便貿(mào)然建立開口而進入搶救，應(yīng)注意內(nèi)部燃燒且可能已充滿了大量可燃性氣體并已蓄積足夠的熱能，建立開口可能導致大量空氣進入，便容易使其產(chǎn)生快速燃燒甚至是爆炸。因此，搶救時若現(xiàn)場狀況允許，需先盡量移除尚未受到波及之鋰離子電池，避免高溫使得未受波及的鋰離子電池產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，造成危害因子的增加；另應(yīng)將所轄之儲能柜場所地址、緊急聯(lián)絡(luò)人、廠商聯(lián)絡(luò)電話等資料建置造冊。依據(jù)美國消防協(xié)會（NationalFireProtectionAssociation，簡稱NFPA）855附件中，亦提及供搶救人員參考資料中，有關(guān)預防事發(fā)前的規(guī)劃中，還需包含下述幾點建議：

1.消防人員應(yīng)了解儲能柜的設(shè)備操作及緊急應(yīng)變計劃。

2.了解現(xiàn)在儲能柜的技術(shù)類型、潛