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火灾调查研究 | 111

一起锂离子电池生产厂房火灾事故的案例分析与思考

黄路生 $^{1}$，郭志刚 $^{1}$，储玉喜 $^{2,3,4}$，卓萍 $^{2,3,4}$

(1. 东莞市消防救援支队, 广东 东莞 523000; 2. 应急管理部天津消防研究所, 天津 300381; 3. 工业与公共建筑火灾防控技术应急管理部重点实验室, 天津 300381; 4. 天津市消防安全技术重点实验室, 天津 300381)

摘要：介绍了一起锂离子电池生产厂房火灾事故案例，通过视频分析、现场勘查、调查询问、物证检测等，准确认定了起火原因。利用无损测试和有损测试方法对厂家提供的锂离子电池产品进行专业分析，确定了活化房内聚合物锂电池产品质量问题是引起事故的直接原因，聚合物锂电池内部短路导致电池外壳破裂引起自燃。研究对后续此类火灾的调查具有一定的借鉴意义，同时提出锂离子电池生产厂房火灾防范措施和安全管理对策。

关键词：活化室；火灾调查；锂离子电池火灾；锂离子电池生产厂房

中图分类号:X928.7;TU998.12 文献标识码:B

DOI:10.20168/j.1009-0029.2024.11.1631.05

1 火灾基本情况

2023年5月11日22时8分许，东莞市某地一锂离子电池生产厂房发生火灾。该起火灾过火面积约4000 m $^{2}$，火灾损坏部分建筑结构、机器设备、成品、半成品及原材料，疏散人员240人，无人员伤亡。火灾现场如图1所示。

〔图〕插图

图1 火灾现场概貌

Fig. 1 Overview of fire scene

2 锂离子电池生产厂房火灾风险分析

锂离子电池具有高能量密度、高功率密度、长寿命和环保等特点，在消费、动力和储能领域中有广泛应用。在锂离子电池生产制造企业，由于生产过程中需要使用到甲、乙类电解液、酒精清洗剂及具有高温爆炸特性的N-甲基吡络烷酮(NMP)等溶剂，存在原材料爆炸风险；同时，在电池化成、老化阶段，成品电池与瑕疵电池难以辨别，统一放置于高层货架上，自动化过程不精准，夹取、装卸过程中易发生电池损伤，事故概率极高。例如，2017年

2月8日，天津某公司电池生产车间发生火灾；2022年2月15日，杭州某有限公司生产厂房发生火灾事故，造成1人死亡。尽管我国已于2019年颁布了《锂离子电池工厂设计标准》，但是根据调研及相关火灾事故调查分析发现，锂离子电池生产企业体量大，分隔多，生产流程长，装置设置错综复杂，洁净厂房内部空间封闭，排烟散热条件差，安全疏散困难。厂房内配置的消防设施参差不齐，有效性和可靠性均难以得到保障。

2.1 锂离子电池生产流程

锂离子电池的主要生产流程如图2所示。

〔图〕插图

图2 锂离子电池生产主要流程

Fig. 2 The main flow of lithium-ion battery production

对锂离子电池生产流程进行整体分析，能够得出电池生产过程中的火灾风险[1-2]。第一，电池生产每天需要的电解液数以吨计，而电解液属于易燃液体，因此电解液中转间、存储库和生产车间属于高火灾风险等级。第二，极片烘干过程中会形成溶剂NMP的蒸气，如果加热和抽排风设备出现故障，易造成火灾事故。第三，电池发生火灾事故通常是在充电后，即化成的后续阶段。在电池化成与分容阶段，会发生电解液泄漏的情况，造成电池冒烟起火。电池完成化成阶段后，将进入高温老化阶段。老化阶段是电池第一次充电化成后的放置，长时间存放大量充电电池，风险度最高。在后续的包装和仓储阶段，由于操作不当，也会造成电池短路，引发火灾。

2.2 锂离子电池火灾特性

电池为含能多材料体系，热失控是导致电池火灾的最根本原因[3-4]。热失控过程伴随一系列内部自加速连锁反应，会释放出大量燃爆气体和烟雾，具有燃烧剧烈、蔓延迅速、毒性强、烟尘大、危险性高、易复燃、易爆炸等特征。同时，电池火灾还综合了固体、液体、气体、电气等多类火灾的特点，极大地增加了扑救难度，如图3所示。

此外，由于电池热失控机制复杂，电池内部信号难以采集，使得电池热失控孕育阶段特征不明显。因此，在锂离子电池生产的高风险工艺流程中，存在火灾早期发现难、初期灭火难、异常电池快速隔离难、消防应急救援难等问题。

〔图〕易燃易爆、易蔓延发强、毒性高B气体、难扑灭火势猛火势大毒性强高速度带电、高能量、\n

图3 电池火灾特性

Fig. 3 Battery fire characteristics

2.2.1 锂离子电池热失控产气特征

锂离子电池在热失控时，内部会发生一系列的化学反应，产生大量的热量及可燃气体。当电池内部气体压力达到一定程度后，安全阀开启，大量的气体和烟雾粒子迅速喷放。以 280 Ah 磷酸铁锂电池为例，以过充的方式触发电池热失控，电池热失控产气体积超过 200 L，混合气体中主要成分为 $H_2$、$CO_2$、$CH_4$、$CO$、$C_xH_y$ 和 HF 等可燃和有毒有害气体。因此，锂离子电池热失控后，分解出的可燃气体与空气混合会形成爆炸性混合气体，火灾和爆炸风险很高[5-7]。

2.2.2 锂离子电池火灾烟雾与火焰特征

除了大量燃爆气体，电池热失控过程中还会产生大量电解质蒸气和固体颗粒，从而形成大量烟雾，如图4(a)所示。当电池产生的烟气遇到点火源时，烟气会剧烈燃烧，形成喷射火，如图4(b)所示。

〔图〕X\n

(a) 产烟

〔图〕插图

(b)火焰

图4 锂离子电池产烟和火焰特征

Fig. 4 Smoke Generation and flame characteristics of lithium-ion battery

2.2.3 电池电解液火灾风险分析

锂离子电池的电解液主要由电解质和溶剂两部分组成。电解质主要有六氟磷酸锂、高氯酸锂等，高纯度的有

机溶剂主要包括碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸甲乙酯(EMC)等。这些溶剂多是闪点较低的甲、乙类物质。其中，碳酸甲乙酯、碳酸二甲酯、碳酸二乙酯闪点分别为23、19、25℃，为甲类物质，碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯闪点分别为150、123℃。碳酸二甲酯、碳酸二乙酯属于易燃液体，两种液体具有易挥发特性，即使在较低的气温下都能蒸发，挥发的蒸气能迅速与空气混合，形成爆炸性混合气体。当遇到明火、高热，或与氧化剂接触，有引起燃烧爆炸的危险。而碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯虽然闪点较高，但也具有燃爆性，遇火花、静电也有可能引发火灾、爆炸。本文在实验室内测试了电解液的燃烧特性，经测试发现，电解液为高度易燃的危险化学品，见明火可以立即被点燃，如图5所示。

〔图〕插图

图5 电解液燃烧特性

Fig. 5 Combustion characteristics of electrolyte

2.3 厂房布局

起火建筑为厂房，层数为6层，高约29.35 m，首层占地面积约2 884 m $^{2}$，2~6层每层建筑面积约2 000 m $^{2}$，每层均设有2部封闭疏散楼梯，总建筑面积约为12 973.43 m $^{2}$。厂房1~5层为钢筋混凝土结构，6层为加建的钢结构，1层为涂布制片车间；2层为装配车间；3层为注液车间，主要存放有约15 t电解液；4层为化成车间；5层为包装车间，存放有约50万个聚合物锂离子电池；6层为仓库，主要存放电池正负极主材以及约27 t电解液，5、6楼均已过火，过火面积4 000 m $^{2}$。5层车间和工艺流程如图6、图7所示。

图6 厂房5层车间布局图

Fig. 6 The layout of workshop on the 5th floor

3 事故调查情况

3.1 事故发生经过

5月11日晚,起火单位的5楼车间有50人上班。22

时0分，2名工人用叉车将一批电池从5楼生产车间运进活化房。22时1分许，2名工人卸下电池后离开活化房。22时6分6秒，有烟气从活化房内冒出，转镍员发现活化房有烟冒出，呼叫车间主管，并进入活化房。车间主管和品质员听到呼喊声后进入活化房，发现活化房内入门左手侧第二排第2个和第3个卡板附近的锂电池在冒烟。车间主管试图用灭火器进行扑救，由于锂电池外围用塑胶围膜包裹，无法进行扑救。车间主管和转镍员又试图用手扒开塑料薄膜，但无法扒开，无法利用灭火器进行扑救。品质员利用微信电话告知公司技术主管5楼活化房内发生的情况。车间主管呼叫物料员试图采用叉车将冒烟的电池拉走。这时候烟雾开始变大，车间主管让其他人员进行疏散并报警。

〔图〕插图

图7 厂区5层工艺流程图

Fig. 7 Fifth floor process flow diagram

3.2 监控视频情况

起火单位的监控视频显示，2023年5月11日21时45分44秒时（北京时间为22时6分6秒），起火单位5楼活化房有浓烟冒出，21时46分26秒时（北京时间为22时6分48秒），起火单位5楼活化房出现火光，并出现燃爆现象，如图8所示。

〔图〕2023C0B9-7+592HSIPC\n

图8 活化房内出现火光

Fig. 8 Fire in activation room

3.3 现场勘查情况

起火单位5层全部过火，烧损痕迹整体呈西北重东南轻，活化房西北侧砖墙整体倒塌，东南侧岩棉夹心板隔墙受热变形倒塌，西侧地面残留大量电池残片，天花吊顶全部脱落，顶棚部分抹灰层脱落，钢筋裸露，此处烧毁痕迹最严重，以此为中心，向四周递减。

3.4 锂电池检测情况

根据清华大学深圳国际研究生院材料与器件检测中心的检测报告，对起火单位生产的锂电池厂家提供的锂离子电池产品(锰酸锂电池，容量8 Ah，标称电压3.7 V)进行了专业分析，分析方法包括：无损测试的容量测试、X

射线测试、CT扫描(如图9所示)；有损测试方法如解剖分析(如图10所示)、光学显微镜、电子扫描显微镜(SEM)、元素成分分析EDS。

〔图〕角位褶皱角位褶皱\n

图9 CT和X射线图像显示锂电池内部有角位挤压短路安全缺陷

Fig. 9 CT and X-ray images show that the lithium-ion battery has an internal angular squeeze short-circuit safety defect

〔图〕正极正极16616负极负极口\n

图 10 拆解锂电池正负极存在异常点

Fig. 10 There are abnormal points in disassembly of positive and negative electrodes of lithium battery

X射线的检测结果见表1，工业计算机层析成像(CT)检测结果见表2。角位褶皱说明角位存在挤压的情况，若隔离膜破损会造成电芯内部正负极接触，可能造成热失控起火；Overhang不足会造成电池析锂，可能造成热失控起火。

表1 X射线的检测结果

Table 1 X-ray results

电池拆解检测结果见表3，微观形貌及微区成分分析检测结果见表4。铝箔贴胶漏铝即铝箔材未完全绝缘，若隔离膜存在破损，无绿胶二次保护，可能造成电芯内部正负极接触，进一步可能造成热失控起火。负极及隔膜测

得含Mn杂质,表明正极存在金属锰析出,可能会造成界面不良及内部短路,存在热失控风险;负极存在金属锂枝晶,金属枝晶可能会造成内部短路,存在热失控风险;隔膜存在裂纹,隔膜破损会造成内部短路,存在热失控风险。综上检测结果分析,确定活化房内聚合物锂电池产品质量问题是引起事故的直接原因,聚合物锂电池内部短路导致电池外壳破裂引起自燃。

表2 工业计算机层析成像(CT)检测结果

Table 2 Industrial computed tomography (CT) results

表3 电池拆解检测结果

Table 3 Battery disassembly test results

4 火灾原因认定

4.1 火灾直接原因

经视频分析、现场勘查、调查询问和物证检测,综合认定起火原因为厂房5楼活化房西侧堆放的聚合物锂离子电池热失控起火蔓延成灾。

4.2 火灾蔓延扩大的原因

1)存放大量生产原材料,火灾荷载大。5楼活化房储

存有约20万个聚合物锂离子电池,6楼存放27t电解液和大量的聚合物锂离子电池成品、原材料,火灾荷载巨大。5楼活化房起火后,火势迅速蔓延,造成大量聚合物锂电池的燃烧和爆炸并引燃6楼电解液的剧烈爆炸。

表4 微观形貌及微区成分分析检测结果

Table 4 Micro-morphology and micro-component analysis results

2)生产布局不合理,存在先天安全隐患。一是活化房采用高温静置活化工艺测试不合格聚合物锂电池电池性能,这部分电池本身较合格电池更容易发生燃烧和爆炸,但活化房内未依照锂离子电池安全标准安装火灾感烟探测器和安全监控摄像头,导致初起火灾未能及时被发现;二是活化房与其他区域(车间)未采用防火墙进行分隔,而是采用窗户、岩棉夹心板替代,丧失了防火分隔的功能,导致发生燃爆后迅速向同层的分容车间、包装车间及6层的仓库蔓延。

3)企业应急处置不够科学，措施不到位。一是对活化房内冒烟、起火的聚合物锂电池，仍采用器具夹出锂电池丢弃到水桶内处置的原始方式，缺少人工值守，也没有自动识别预警和报警设施。二是事故发生后，工厂迅速切断了电源，也切断了消防电源，导致消防设施无法启动灭火，造成了事故进一步扩大。

5 锂离子电池火灾事故调查的借鉴意义

1) “抢视频”的理念得到了落实。火灾发生后,现场消防救援人员牢牢掌握住“抢视频”的理念,与灭火救援同步开展,第一时间将监控从火灾现场中“抢”出来,及时将视频监控证据固定,为下一步火灾原因的认定提供了有力证据。

2) 善于借助科技装备辅助决策。随着科技的发展进步,火灾事故调查人员在熟练掌握传统火调技术基础上要借助高科技装备开展火灾调查,如X光射线、测谎仪、电子数据恢复、三维建模等装备。在这起火灾中,利用了无损测试的容量测试、X射线测试,有损测试方法如解剖分析、光学显微镜、电子扫描显微镜、元素成分分析。分析结果确定活化房内聚合物锂电池产品的质量问题是引起事故的直接原因,聚合物锂电池内部短路导致电池外壳破裂引起自燃,全面分析出了火灾发生机理,为火灾认定提供了有力依据。

6 锂离子电池生产厂房火灾防范措施和安全管理对策

1)加强消防安全管理工作。政府有关部门要结合锂离子电池生产和储存的工艺特点,认真梳理各环节安全监管盲点和漏洞,进一步完善部门协同执法制度,建立职责清晰、权责对等、协同有力的监管执法机制[8-10]。

2)加强锂离子电池生产厂房的安全管理。厂房应采用防火、防爆设计,配备适当的消防设施;化学物质储存区应有独立的通风系统,防止泄漏扩散。配备个人防护装备,如防毒面具、防护眼镜、手套等,降低人员直接接触有害物质的风险。

3)提升设计安全的生产工艺。优化生产流程,避免产生可能导致电池热失控的操作。例如,严格控制电解液添加量,保证电极涂层均匀,避免机械损伤。

4)提升设备安全标准。采用防爆、防静电、耐高温的生产设备,并定期进行维护检查,确保设备运行正常。

5)建立严格的质量控制系统。对每个生产环节进行严格的质量检测,及时处理潜在的安全隐患。实施实时监控,确保设备正常运行,及时发现并解决潜在问题。

6)加强安全存储与运输。设置专门的电池存储区,保持适宜的温度和湿度,避免电池过度充电。锂盐等危险化学品应密封储存,使用时精确计量,避免过量暴露。运输过程中应使用防冲击、防短路的包装材料。

7)加强员工培训。定期对员工进行消防安全培训,使员工们了解到锂离子电池火灾的特性,掌握正确的应急处理方法。

8)建立应急预案。制定详细、实用的火灾、泄漏等事故应急预案,定期进行演练,确保员工熟悉应对流程。设置应急疏散通道,配备急救设备,确保在紧急情况下能迅速、有效地撤离和救治。

锂离子电池生产厂房火灾事故不仅给企业带来了巨大的经济损失,也对环境和社会安全造成了影响。通过深入分析此次火灾事故的原因和后果,深刻认识到严格的安全管理、规范的操作程序、先进的技术支撑以及有效的应急措施对于预防类似事故的重要性。只有全面提高安全生产水平,才能确保锂电池行业的持续健康发展,同时保护员工和公众的生命财产安全。未来,伴随着技术进步和管理创新,有责任也有能力将此类风险降至最低,为可持续发展的能源产业提供坚实的安全基础。

参考文献:

[1] 应急管理部消防救援局. 火灾调查与处理-高级篇[M]. 北京: 新华出版社, 2021.

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路隧道,2007(3):59-60.

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A case study of a fire accident in a lithium-ion battery factory

Huang Lusheng$^{1}$, Guo Zhigang$^{1}$, Chu Yuxi$^{2,3,4}$, Zhuo Ping$^{2,3,4}$

(1. Dongguan Fire and Rescue Division, Guangdong Dongguan 523000, China; 2. Tianjin Fire Science and Technology Research Institute of MEM, Tianjin 300381, China; 3. Key Laboratory of Fire Protection Technology for Industry and Public Building, Ministry of Emergency Management, Tianjin 300381, China; 4. Tianjin Key Laboratory of Fire Safety Technology, Tianjin 300381, China)

Abstract: this paper introduces a case of fire accident in a lithium-ion battery factory. The cause of the fire was accurately identified through video analysis, on-site investigation, investigation and inquiry, and physical evidence detection. A professional analysis of the lithium-ion battery products provided by the manufacturer using non-destructive and destructive testing determined that the product quality problems of the polymer lithium battery in the activation room were the direct cause of the accident, the internal short circuit of polymer lithium battery leads to the rupture of the battery shell, which leads to spontaneous combustion. The study can provide reference for similar fire investigation, at the same time, fire prevention measures and safety management measures for lithium-ion battery production plants are proposed.

Key words: activation room; fire investigation; lithium-ion battery fire accident; lithium-ion battery factory

作者简介:黄路生(1984-),男,广东东莞人,东莞市消防救援支队,高级专业技术职务,学士,主要从事火灾调查工作,广东省东莞市莞长路立新路段23号,523000,450452283@qq.com。

收稿日期:2024-03-13

修回日期:2024-04-07

(责任编辑:毛星)