電池火災及分類
整理者: 消防設備師 曹銘嘉, 消防設備士 黃明忠, 賴哲民(大學教師退休)
鋰電池熱失控(Thermal Runaway)
儲能櫃火災的本質是電池的「熱失控」及其引起的「熱蔓延」。 這是一個劇烈且自持的物理化學連鎖反應過程,電池因內部或外部原因開始自發產熱,溫度急劇升高,最終引發燃燒或爆炸。
- 過度充電/放電
- 外部短路
- 內部短路: 隔膜破損、鋰枝晶穿刺
- 根據焦耳定律(P=I²R),異常電流產生大量熱量,使電池溫度升高
- 外部環境溫度過高
- 冷卻系統失效
- 外部火源
- 高溫環境使電池內部化學材料穩定性下降,觸發放熱反應,形成惡性循環
- 碰撞、擠壓
- 針刺
- 震動導致結構損壞
- 物理損傷導致電池內部短路,在極小電阻下產生巨大瞬間電流和熱量
SEI膜開始分解
負極表面的固體電解質界面膜分解,這是放熱反應,會加速升溫
隔離膜熔化
PE/PP隔離膜大規模熔化,導致正負極大面積內部短路,產生巨量熱
正極材料開始分解
三元鋰電池正極材料分解並釋放氧氣,燃燒無需外部空氣
劇烈燃燒與爆炸
電解液分解產生可燃氣體(甲烷、乙烷),內部壓力急增,安全閥衝破,發生爆燃
電池類型比較
LiFePO₄ - 高安全、長壽命
技術特性
- ✅ 安全性: ⭐⭐⭐⭐⭐ (優)
- ✅ 熱失控觸發溫度: >200°C
- ✅ 正極材料穩定,分解時不釋放氧氣
- ✅ 能量密度: 150-220 Wh/kg
- ✅ 循環壽命長,成本低
- ✅ 環保: 不含重金屬鈷
市場應用
儲能市場 >60% - 因安全性成為主流
滅火方法
- 🔹 大量冷卻法(首選)
- 🔹 細水霧、水噴淋最有效
- 🔹 全氟己酮(早期抑制)
- 🔹 冷卻後不易復燃
鎳鈷錳酸鋰 / 鎳鈷鋁酸鋰 - 高能量密度
技術特性
- ⚠️ 安全性: ⭐⭐ (差)
- ⚠️ 熱失控觸發溫度: ~150°C
- ⚠️ 正極材料不穩定,會分解並釋放氧氣
- ✅ 能量密度: 220-300 Wh/kg (高)
- ⚠️ 火災特性: 劇烈、易復燃、可能噴射火焰
- ⚠️ 環保: 含重金屬鈷,開採與回收問題大
市場應用
電動車市場 >80% - 消費電子主流
滅火方法
- 🔹 需極大量水持續冷卻
- 🔹 因正極自供氧,窒息效果有限
- 🔹 全氟己酮(機櫃內局部應用)
- 🔹 A類泡沫(助水冷卻)
- 🔹 需長時間監控防復燃
Li₄Ti₅O₁₂ - 超高功率、超安全
技術特性
- ✅ 安全性: ⭐⭐⭐⭐⭐ (極佳)
- ✅ 熱失控觸發門檻極高,極難發生
- ✅ 負極電位高,幾乎不形成鋰枝晶
- ✅ 循環壽命: 6000-20000次
- ⚠️ 能量密度: 70-100 Wh/kg (較低)
- ⚠️ 初始購置成本最高
市場應用
極低(利基市場) - 高頻充放電、特殊交通
滅火方法
- 🔹 火災風險極低
- 🔹 若電解質燃燒,使用氣體或乾粉窒息
- 🔹 二氧化碳、全氟己酮均有效
- 🔹 僅需標準消防系統
1. 安全性的根本在於材料化學
LFP和LTO因其穩定的晶體結構,在本質安全性上遙遙領先,是對安全性要求極高場合(如大型儲能、公共交通)的首選。 NMC/NCA雖然能量密度高,但其正極材料在高溫下的不穩定性與釋氧特性,是導致其火災劇烈且難以撲滅的根本原因。
2. 消防策略應基於電池化學特性
對於所有鋰電池,冷卻都是核心。但對於會釋放氧氣的NMC電池,必須認識到「窒息法」效果有限, 需要更大量、更持久的冷卻。LFP電池的消防設計可以更有效率,而NMC電池的消防設計必須做最壞的打算。
3. 總體擁有成本考量
不能只看初始購置成本。LFP因其安全性高、壽命長、消防系統成本可能較低,在大型儲能的整體擁有成本上極具競爭力。 LTO雖然購置成本高,但其超長壽命和近乎免維護的安全特性,在特定需要頻繁充放電或極端環境的應用中,可能具有最佳的長期經濟性。
4. 偵測系統的差異化
對高風險的NMC電池群,投資熱影像儀進行連續溫度監控,是實現早期預警、避免災難性事故的關鍵投資。