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8 应急管理研究

锂离子电池生产企业火灾事故处置对策

刘靖，苏忠波，张延群

(浙江省消防救援总队,浙江杭州310000)

摘要:为了提出锂离子电池生产企业火灾事故处置对策,围绕锂离子电池生产企业建筑和工艺特点,分析其火灾事故主要风险,结合现实案例,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。着重强调了在综合研判到位的基础上,充分利用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。

关键词:锂离子电池;洁净企业;火灾事故;热失控

中图分类号:X913.4;D631.6 文献标志码:B

文章编号:1009-0029(2024)01-0125-04

近年来,为实现碳达峰、碳中和目标,我国新能源产业快速发展,锂离子电池行业逐渐呈现规模化、基地化、大型化趋势[1-2]。2022年全国锂离子电池产量达750 GWh,同比增长130%,行业总产值突破1.2万亿元[3]。锂电池生产企业多为大跨度、大空间建筑,体量大、分隔多,装置设置错综复杂,且为洁净厂房,内部空间密闭,排烟散热条件差;厂房内致灾因素多,突发性强,极易引发连锁反应,消防救援力量到场时,火势一般已处于猛烈燃烧阶段,灭火控制难度大,冷却保护任务重,扑救方法专业性强,给现场指挥决策和力量部署带来极大考验。近年来,多地发生了多起锂离子电池爆炸事故。在锂电池生产企业火灾处置方面,张贤凯等[4]通过模拟预测方法研究了 Novec 1230灭火剂对化成工艺的灭火效果。蔡强[5]从救援角度初步分析了锂电池企业中存在的火灾风险,并结合锂离子电池火灾的特殊性,提出了锂离子电池火灾应急措施。目前,针对锂电池生产、储存的相关研究处于初步阶段,还未形成有效的锂电池热失控灭火处置方法[6-10]。

针对锂电池生产企业火灾扑救难题,消防救援局于2016年制定了《锂电池生产仓储使用场所火灾事故处置安全要点(试行)》(公消[2016]413号)。但由于近年来我国锂电池生产技术发展迅速,生产企业规模不断扩大,且缺乏严格的建造标准和防火技术措施,消防安全管理水平明显不足,给灭火救援和应急处置带来很大难度。本文以各地锂离子电池生产企业实地调研以及近期全国多起典型案例为基础,深入分析事故特点及危险性,研究并提出相应的处置对策。

1 锂离子电池生产企业概述

1.1工艺流程

锂离子电池生产企业主要生产锂离子电池电芯、模

组、电池包等产品，按生产工艺分可分为圆柱电池、方形电池和软包电池生产企业等类型。3类产品生产工艺虽有差异，但整体上可将锂离子电池生产工艺流程划分为前段工艺(搅拌、涂布、辊压、分切、制片、模切)、中段工艺(卷绕、注液、封装)、后段工艺(化成、分容、检测、分选)等，锂离子电池的生产工艺如图1所示。其中化成工序后，锂离子电池已经激活，具备热失控的特征风险。

〔图〕插图

图1 锂离子电池的生产工艺图

Fig. 1 Diagram of the production process for lithium-ion batteries

1.2工艺布局

生产企业按工艺布局分为回字型、工字型、剪刀型、L型等。回字型布局是指企业包含从原料到成品的全部工序流程。对于超大体量生产企业,不同厂房设置不同的工序,多个厂房构成完整的生产工序,形成“大”回字型。除了单层平面的标准回字型,还有垂直立体的回字型。如江苏启东某企业完整的工序是自一楼逐层向上,在顶层化成、静置,构成垂直立体的回字型。

工字型布局是指企业内有多条不同工艺并行的生产线。

剪刀型布局是指生产工序从一楼开始混料,二楼注液后再回到一层进行化成、老化,形成非标回字全流程。

L型布局的企业生产线较为简单,多为小厂企业。如杭州某公司,从外部采购单体电池成品,经测试后,组装成模组或电池包出售。

1.3建筑分布

生产企业按建筑分布可分为平面一体化和垂直立体式分布。

平面一体化分布是指生产工序设置在单独的厂房或多个厂房,通过物流连廊连接的平面一层厂房。此类企

业往往占地面积大,通常按照回字型、工字型以及“回字+工字”等混合型布局生产。如杭州某股份公司,生产工序分布在厂区的6个厂房内,期间通过物流连廊进行上下游连接;3条化成、静置等工艺线集中在4号厂房,是典型的“回字+工字”生产企业。

垂直立体式分布是指生产至包装工序从底层开始分层设置,化成、老化等危险工序分布于2层以上,内部通过升降机上下连通。此类企业在外墙设置大型设备吊装口,连通内部设备用房及生产车间设备门,通常内部设备门采用易拆卸隔板封堵。

2 锂离子电池生产企业火灾事故特点

2.1 锂电池储量大，热失控风险高

1)锂电池热失控。锂离子电池化成后处于带电状态,极易发生热失控。有研究表明,电池SOC越高,在热冲击条件下发生热爆炸的时间越短,电池表面最高温度越高;SOC接近100%时,燃烧速率和爆炸强度约是SOC为25%时的2.5倍$^{[11]}$。

2) 货架能量集中。化成、分容、储能等环节通常以高架仓库、生产框架等形式设置。从实地调研情况看,部分企业管理不到位,在厂房通道堆放半成品、成品及瑕疵电池,导致热失控、货架倒塌、高压触电、爆炸冲击等风险进一步加大[12]。以宁波某锂离子电池生产企业为例,老化库内高位货架存储总能量达到12.5 MWh。

3) 不同正极材料锂电池热失控表现不同。三元材料热失控迅速升温、燃烧猛烈,易发生电池解体连锁爆炸;磷酸铁锂材料燃烧不完全,产生大量可燃气体产物和热量,易发生有限空间混合气体爆炸[13-14]。

2.2 物料杂，风险管控难度大

1)原料及生产工艺本身的风险。锂离子电池生产涉及大量有毒、易燃易爆原料,如NMP、DMC等;电解质$LiPF_6$极易水解生成HF;涂布工艺涉及放射性物质等。

2)对毗邻建筑的影响。通过调研发现,部分锂离子电池电解液仓库毗邻居民区设置,易造成群体中毒。2022年9月某企业锂离子电池生产原料仓库发生火灾,在下风向1000m处仍能检测到HF。

2.3 空间结构复杂,风险隐患大

此类企业在建筑结构上兼具大跨度和洁净厂房的特点。

1)厂房跨区大。为保证生产连续性和规模性,极片制作工序(混料一切片)连续设置,长度可达100m。如温州某能源有限公司,单个厂房总建筑面积达20万$m^2$。

2)高低吊顶。为保证质量,在电芯生产过程中,通常按照洁净厂房设计设置空气净化系统,生产设备较大,层高可达6~8m。企业对过高部分采用吊顶封闭,使层高降为3m左右,吊顶上方空间因气、液、物料管线全厂连通。2022年10月某锂离子电池生产企业吊顶内部热风机管道起火,所幸吊顶正在检修,预留了开口,员工及时

发现火点并扑灭,未造成灾情扩大。

3)内部空间分隔复杂。建筑内部空间通道布局复杂,救援人员容易迷失方向。锂离子电池生产企业有多栋厂房连接连廊,“厂中厂”等特征建筑风险隐患较高。

2.4防火设计缺陷，火势发展迅速

1)防火分隔不到位。企业内部全自动物流通道、物料输送管线、管道地沟等穿越多个生产车间、楼层,导致整个厂房无有效防火分隔。内部分隔材料燃烧产生的热量大量积聚,高温烟气使得机械排烟无法正常运转,导致厂房内部温度远高于一般火灾,极易造成结构坍塌。

2)固定消防设施存在设计缺陷。部分企业喷淋管网设计不合理,水泵选型不适配,管道压力过大导致水泵宕机,造成初起火灾无法控制。

3)企业防火规范不完善。对于化成、老化、成品库等锂离子电池热失控风险等场所，未将其定义为爆炸风险场所，对于其爆炸风险和后果也无明确的规定[15]。

3.处置对策

3.1力量调度

优先调集大流量、大载液量泡沫消防车、大跨距举高喷射消防车、排烟车、远程供水消防车等车辆,以及移动炮、无人机、消防机器人等无人化装备。还应及时调集重型机械(挖掘机、铲车等)等力量,以及建筑结构、锂电池等行业专家到场辅助处置。

3.2 侦查和信息核查重点

由建筑、锂电池、消防等行业专家以及单位负责人或技术人员共同侦察研判。询问知情人,查明企业类型、电池种类及储量、事故部位及生产工序,掌握核实企业的应急措施;调取厂区平面图、生产厂房平面图、工艺流程图、流水线设计立体图、固定消防系统图、消防水源图、事故部位及关键设备结构图等相关资料,掌握建筑紧急出入口位置及朝向、厂房承重构件,明确现场排烟通道、搜救通道、阵地设置通道[15-16]。利用仪器检测、无人机巡查、消防控制室查询、视频监控系统查看、询问厂方技术人员等方式,掌握人员被困状态、平面布局、建筑结构、工艺工况、火势蔓延、毗邻区域受火势威胁程度、固定消防设施启用、公用工程保障能力和已采取的措施等。

3.3 工序处置要点

企业生产过程中,不同工序存在不同的风险,化成前主要风险是原料、生产工艺的危险性,如混料工序的NMP、涂布工序的放射性元素、注液工序的电解液等。化成工序后,锂电池热失控成为主要风险。

3.3.1 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。

2023年3月13日浙江杭州某锂离子电池生产企业发生火灾，起火部位为生产车间临时电池仓库。该厂房为大跨度洁净厂房，外围为设备用房，内部为生产车间，无直通室外窗口。堆放的磷酸铁锂电池包热失控后产生大量的热量和烟气，现场喷淋及时动作，在初期阶段有效控制火势，距起火部位20 m处的堆垛电池未过火。但由于烟气温度过高，排烟系统无法正常启动，内部浓烟未有效排出，厂房所有开口均在冒烟，极高的温度导致起火点上部楼顶的混凝土剥离，裸露出两层钢筋，为内攻灭火带来极大困难。

3.3.2 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

用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。

3.3.3 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。

3.4 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。

3.5 安全管控

将事故企业整体纳入现场风险评估范围，充分考虑违规设计建设、隐蔽形式连接、企业擅自改变布局、固定设施故障等隐患问题，全面预判潜在的各种风险。

根据锂离子化成及仓储区域容量、事故现场环境以及爆炸冲击可能产生的风险危害，实施安全管控和交通管制。构建现场立体管控态势，全程观察，监测现场危险区域，实时检测可燃、有毒气体（HF）浓度，评估对周边环境的影响[17]。

设立紧急救助小组，实时掌握救援人员位置及其附近的应急通道，提前准备工程机械待命，做好第一时间破拆墙体、打通救生通道的准备。

3.6 现场清理

锂离子电池冷却降温至正常温度后方可开展清理工作。清理事故现场时，必须在企业技术人员配合下做好个人防护，穿着电绝缘服、电绝缘鞋和手套等装具，全程使用有毒、可燃、漏电探测仪、万用表进行检测[18]，防止发生漏电、触电等意外伤害。

4 结论

结合现实案例，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，并针对防触电、防中毒、防爆炸等方面强调了注意

事项。下一步将进一步总结全国各地事故案例特点,从企业设防、消防装备配备、排烟战法等方面入手,全面提升锂离子电池生产企业火灾事故处置能力。

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Disposal strategies for fire accidents in lithium-ion battery production plants

Liu Jing, Su Zhongbo, Zhang Yanqun

(Zhejiang Fire and Rescue Brigade, Zhejiang Hangzhou 310000, China)

Abstract: In order to propose disposal strategies for fire accidents in lithium-ion battery production plants, an analysis of the building and process characteristics of such plants was conducted. The main risks of fire accidents were identified, and based on real-life cases, corresponding disposal strategies were proposed for different stages of fire development in the post-formation process segment of the plant. The emphasis was placed on the importance of comprehensive assessment and the effective utilization of emergency exits as internal attack passages. Tactical methods such as "solidification, relocation, control of combustion, smoke exhaust, and heat dissipation" were recommended.

Key words: lithium-ion battery; cleanroom facility; fire accident; thermal runaway

作者简介:刘靖(1984- ),男,浙江温岭人,浙江省消防救援总队作战训练处副处长,主要从事灭火救援方面的研究,浙江省杭州市拱墅区文晖路315号,310000。

收稿日期:2023-07-10

(责任编辑:董里)