锂离子CAT蓄电池供电电动滑板车在车厢内燃烧的烟雾产生和检测

消费品中锂离子电池的使用增加，可能导致这些设备引发的家庭火灾。为了描述普通立式电动代步车的住宅火灾隐患，281 Wh锂离子电池组被送入一个小房间内的热失控状态。记录了烟雾浓度和遮蔽情况，以及三台光电烟雾报警器的报警时间和房间内不同位置的温度。10个实验中有一半在电动滑板车旁边放了一把软垫椅子。每个实验的烟雾和温度分布各异，有些显示逐渐增加，有些则表现得更为突然。在持续可见火焰出现之前，测量了电池排放产生的烟雾量升高。电动滑板车相对于轮椅的位置影响了火灾传播的风险。此外，76%的警报激活发生在持续可见火焰之前。这些结果表明，电动代步车带来的住宅火灾危险依赖于烟雾报警器的存在以及其他易燃物品的接近程度。

简介

锂离子电池因其高能量密度和相对较高的可充电电池化学成分，在日常生活中日益普及，出现在新型便携式消费品中，从个人散热风扇[1]到个人出行设备（如图1a所示的电动滑板车）。由于体积小巧，这些设备通常可以存放在室内，既能保护设备免受外部温度和湿度的影响，也能带来室内的危害。锂离子电池的过充、过热、短路或误用可能导致热失控、逸气和火灾等危险状况。由于这些风险以及此类设备数量的增加，美国某些城市的消防部门报告称，涉及锂离子电池火灾的事件、受伤和死亡人数显著增加[2]。此外，根据英国产品安全与标准办公室的一份报告，2024年英国涉及电动自行车或电动滑板车的火灾中，三分之二发生在室内或住宅场所[3]。
热失控是一种自加热状态，通常定义为温度上升超过10 K/min[4]，导致能量和烟雾迅速释放。这种状况可能由锂离子电池内部的某种机械、电化学或热失效引起，触发一系列过程，产生越来越多无法散发的热量。导致热失控的过程包括电解质与带电阳极之间的放热反应、分离器失效和短路，随后阴极分解和氧气释放。在热失控过程中，通常会释放气体和烟雾，称为“排放”，随后是快速释放压力和/或火焰射流[4]。锂离子驱动的器件通常包含多个锂离子电池组，导致单个电池中的热失控很容易在电池组中传播。以往研究表明，热失控的起始方法，通过过载、过热、直接火焰接触或其他实验方法复制，会影响热失控的传播和热释放速率[4]、[5]。具体方法的效果很可能与所应用的能量输入和配置有关，这一主题需要进一步研究[4]、[6]。无论点火方式如何，这种快速、猛烈的火势都有可能成为周围其他易燃物的引火源。
尽管关于锂离子电池热失控和火灾的文献有大量研究，但住宅火灾隐患，尤其是这些设备火灾产生的烟雾，尚未被广泛研究。Fleischmann等人[5]测量了包含1200 Wh锂离子电池组（ICR18650圆柱形电池组）的坐姿电动滑板车火灾时的散热速率。他们还评估了电动滑板车火灾的风险，报告了气体温度、速度、压力、热通量、一氧化碳浓度和分数有效剂量等测量数据。作者强调了火灾的爆炸性质，视频和压力测量显示了这一点，这些火灾成为周围可燃物质的点火源。从可见烟雾开始产生起，闪燃发生在不到一分钟内[5]。
锂离子电池火灾检测和乘员通知是一个关键研究领域，亟需进一步研究。虽然有一些评估电动出行设备安全性的标准，如UL 2272[7]和UL 2849[8]，但目前尚不清楚烟雾报警器如何应对锂离子电池火灾，这并未被UL 217烟雾报警器标准纳入[9]。由于锂离子电池火灾的快速发展，人们认为传统烟雾报警器无法为使用者提供足够的警告，因此正在探索新的探测方法[10]。在Fleischmann等人的坐式电动滑板车实验中，未测量烟雾，但他们的图像显示在燃烧点火前会产生大量烟雾[5]。为了提供评估潜在新型探测系统性能的基线，本研究对传统光电烟雾报警器的性能以及电动滑板车火灾期间室内烟雾的产生进行了表征。