電動車室內(nèi)充電有人看著就可以？別再有僥幸心理了

出品：科普中國

制作：kun

監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心

近幾年，電動自行車自燃、爆炸等安全事故時有發(fā)生。2021年9月20號，通州發(fā)生了電動自行車室內(nèi)充電引發(fā)火災(zāi)，造成了5人死亡的悲劇。

自燃后的電動自行車 （圖片來源：中國消防）

電動車為什么會發(fā)生自燃、爆炸？室內(nèi)給電動車電池充電為什么危險？在使用電動車時，如何更好地保證安全？

電動車發(fā)生自燃、爆炸，主要原因是電池。為了跑得更遠(yuǎn)、更快，電動車電池的能量密度不斷提升，與此同時，也越來越容易發(fā)生危險。

相對于過去使用的鉛酸蓄電池，鋰離子電池能量密度更高，危險也越大。

鋰電池為什么會起火、爆炸?

電池由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組裝而成，多個電池單體進(jìn)一步集成為電池組。

傳統(tǒng)正極通常包括層狀過渡金屬氧化物（NCM/NCA），以及被稱為“鐵鋰”的橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰。

電解液是電池的“血液”，鋰離子電池電解液通常使用的是具有可燃性的有機物，所以電池本身就是一個“可燃物”，在使用過程中，電池失效（包括短路，斷路，電池破損等一系列電池不能工作的情況）可能就會引發(fā)火災(zāi)。

圖片來源：pexels.com

而隔膜最大的作用就是將正負(fù)極分開，從而避免電池內(nèi)部短路，如果隔膜受損，電池則會熱失控。

顧名思義，熱失控就是溫度不受控制地上升。這種現(xiàn)象會引發(fā)起火，爆炸等危險。

下面這個二維模型能夠幫我們理解電池?zé)崾Э匕l(fā)生的過程：

電池中放熱反應(yīng)速率和熱損失速率隨溫度變化曲線。其中4表示放熱反應(yīng)速率，1、2、3分別對應(yīng)不同室溫的情況下熱損失的速率，1曲線對應(yīng)電池溫度能夠穩(wěn)定的情況，2為臨界溫度情況，3中的電池會發(fā)生電池起火 （圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

縱坐標(biāo)是熱量交換速率，橫坐標(biāo)為溫度。曲線4表示電池自身發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時的熱效應(yīng)，遵循我們初中學(xué)過的阿倫尼烏斯定律：化學(xué)反應(yīng)過程中，反應(yīng)速率會隨著溫度升高而升高，于是產(chǎn)生熱量的速度也便要升高。

1、2、3分別代表在環(huán)境溫度為A、B、C的條件下，散熱的速率隨溫度的變化。遵循牛頓冷卻定律：隨著溫度的升高，物體與環(huán)境進(jìn)行熱量交換的速率會逐漸增加。

當(dāng)環(huán)境溫度為A時，可以預(yù)期E點是一個平衡點。對于曲線1來說，當(dāng)溫度超過E點對應(yīng)的溫度，此時與環(huán)境交換熱量的速率會大于自身的產(chǎn)熱，所以溫度會降到E點對應(yīng)的溫度。

相反，溫度小于E對應(yīng)的溫度時，由于體系產(chǎn)熱大于熱量交換，所以溫度會升高到E點所對應(yīng)的溫度。

當(dāng)環(huán)境溫度升高到B時，此時2和4只有一個交點D，這是一個臨界點，熱量交換速率和電池自身的產(chǎn)熱速率是相同的。此時，系統(tǒng)的溫度一旦因擾動而升高，就會發(fā)生熱失控。

這時的臨界平衡溫度被稱為“不返回溫度”（Temperature of No Return）。

一旦電池超過了“不返回溫度”TNR，鋰離子電池系統(tǒng)就會進(jìn)入熱失控的狀態(tài)。

電池?zé)崾Э?（圖片來源：veer圖庫）

因此，我們可以分析出大多數(shù)熱失控的原因——鋰離子電池因為某些原因溫度升高，從而使得電池溫度超過了“不返回溫度”TNR，進(jìn)而引發(fā)劇烈的化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生熱失控。

鋰離子電池在熱失控時會發(fā)生什么？

電池溫度升高過程中，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是階段性的。分別會在升溫過程中發(fā)生SEI的分解（89.06℃）、隔膜熔化（127.79℃）、正負(fù)極短路（129.35℃），鈷酸鋰歧化反應(yīng)（158.08℃）、負(fù)極和電解液反應(yīng)（169.16℃），鈷酸鋰進(jìn)一步分解（188.29℃）和最后電池內(nèi)的所有物質(zhì)被氧化（220.65℃）。

其中正負(fù)極短路過程中釋放的熱量最多，高能量密度電池儲藏的能量在瞬間釋放出來的后果是驚人的。

圖片來源：pixabay.com

熱失控時，鋰離子電池會產(chǎn)生甲烷、一氧化碳、乙烯和甲醚以及可燃的電解液蒸汽。

有報道認(rèn)為，電解液中的陰離子是電池在熱失控過程中的釋放刺激性氣體的原因，如：氟化氫和二氧化硫。

在62平米的封閉場所內(nèi)，僅僅20mL的商用電解液所產(chǎn)生的氟化氫就能夠達(dá)到人體的暴露極限。所以，鋰離子電池的危險之處不光在于爆炸或燃燒放出來的熱量，更在于電池?zé)崾Э貢r釋放出來的有害氣體，這會導(dǎo)致人昏迷、窒息，失去行動能力。

此外，電池因為熱失控發(fā)生破裂時，會噴射出可燃性的氣體和氣溶膠，進(jìn)而產(chǎn)生噴射狀的火焰，讓人無法靠近。

電池燃燒 （圖片來源：veer圖庫）

電池更容易在室內(nèi)爆炸？

在新聞中，時常會看到室內(nèi)充電引起的事故，所以很多人以為電池更容易在室內(nèi)爆炸，這其實是錯誤的認(rèn)識。

大家看看數(shù)據(jù)：2021年以來，北京市電動自行車共發(fā)生火災(zāi)433起，亡13人。如果單看起火區(qū)域，室外有355起，室內(nèi)有78起。所以電動車電池出事不是挑地點的。

但是，電池在室內(nèi)爆炸危險更大，也更容易導(dǎo)致人員傷亡。

一方面，室內(nèi)鋰離子電池發(fā)生起火時會導(dǎo)致建筑起火，火勢也更不容易控制。

另一方面，電池在室內(nèi)燃燒釋放出的刺激性氣體和顆粒物，在封閉空間內(nèi)逸散不開?，F(xiàn)場人員很容易吸入大量有害物質(zhì)，造成窒息、眩暈、失去行動力，如果險情發(fā)生在人睡夢時，則更為危險。

這也是為什么強調(diào)不要把電動車停放在室內(nèi)或者安全通道。一旦發(fā)生事故，火勢蔓延迅速、煙熱高，直接切斷了逃生通道，死亡率會非常高。

需要強調(diào)的是，并不是所有的鋰電池都不安全。

實際上，如果嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，電池發(fā)生事故的風(fēng)險非常低。畢竟目前鋰離子電池是以有機電極液為主的體系，雖然可燃，但是可以針對性地杜絕可燃風(fēng)險。

并且國家頒布了電動自行車安全技術(shù)規(guī)范，對電動車廠出廠的蓄電池有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)要求。

正規(guī)的電池廠家，一定會對常見的電車遇到的風(fēng)險，進(jìn)行防范性的設(shè)計。比如對電池管理系統(tǒng)（BMS）設(shè)計，防止過充、濫用等等。

圖片來源：veer圖庫

但是，仍然有很多“魚龍混雜”的電池廠商生產(chǎn)質(zhì)量沒有保障的電池。部分用戶，私自改用容量更大的電池，改裝線路，增加了出事故的風(fēng)險。

來源：pixabay.com

這就更需要我們安全、合規(guī)地使用電動自行車。

筆者在網(wǎng)上找到了這幅圖，很好地總結(jié)了使用電動自行車的注意事項。

圖片來源：北京通州發(fā)布微信公眾號

電池起火怎么辦？

首先，及時斷電。

撤離到安全區(qū)域，撥打火警電話，不要第一時間嘗試滅火，及時提供現(xiàn)場火災(zāi)信息。

鋰離子電池起火發(fā)展過程 來源：washington.edu

國內(nèi)外對于鋰電池起火時，能否用水滅火有不同說法。

有的說需要用ABC類滅火器，不能用水，但實際上，用水滅鋰離子電池的火是合理且有效的方法。（A表示固體物質(zhì)火災(zāi)滅火器，B表示液體或可熔化的固體物質(zhì)火災(zāi)滅火器，C和D分別表示氣體火災(zāi)、金屬起火的滅火器。）

《新能源汽車火災(zāi)撲救規(guī)程》中也指出，明火熄滅后，也要繼續(xù)用水對電池組進(jìn)行持續(xù)的冷卻。由于鋰離子電池中沒有金屬鋰，所以也不需要用D類滅火器。

寫在最后的幾個問題

在最后，筆者就以一些小Q&A來結(jié)尾，希望大家能夠安全規(guī)范使用電動自行車，平安出行。

問：為了防止起火，我在家看著它充電1個小時可以嗎？

答：看著也不行，它起不起火豈是我等生物能提前預(yù)知的？

圖片源于微博

問：市面上電池有哪些種類？安全性有什么區(qū)別？

只要是符合國家標(biāo)準(zhǔn)，并且按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試了的電池，都比較安全。但是凡事都有萬一，不同電池失效的反應(yīng)不一樣，所以安全性也很難定義。

不同電池著火情況不同。鉛酸蓄電池在過充后會釋放氫氣，在這種情況下有可能會引發(fā)爆炸。

鎳氫電池比較少見，如果過充或短路也會釋放氫氣，進(jìn)而引發(fā)爆炸。

一次性干電池，在高溫和短路的情況下也有可能發(fā)生爆炸。

圖片源于微博

問：電動自行車室內(nèi)著火和室外自燃爆炸有什么相通之處？

首先，他們都是因為熱失控導(dǎo)致的自燃爆炸，只是誘因不一樣。充電著火極有可能是過充、或者電池導(dǎo)電性差，快速充電階段產(chǎn)熱多，溫度急劇升高，導(dǎo)致的危險。

而室外自燃通常是電動車內(nèi)部發(fā)生短路，用一句話表述就是：要么人為操作不當(dāng)，要么電池產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)。

總之，嚴(yán)守安全規(guī)范，不要在室內(nèi)給電動車充電。

參考文獻(xiàn)：

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[3]LITHIUM BATTERY SAFETY——www.ehs.washington.edu