专栏名称: 3系飞行员

一起学习空客机型知识，共同进步🛫

航班中锂电池的安全

3系飞行员 · 公众号 · · 2021-03-07 13:06

正文

如今，锂电池在我们的日常生活和航空业中扮演着一个几乎看不见的重要角色。在正确制造和操作下，锂电池是安全的。但是，生产缺陷、处理不当或不了解其具体特征可能会对安全产生严重影响。

锂电池是当今能源的首选。随着我们越来越依赖便携式电子设备（PED），来为我们提供掌上所需的信息、娱乐和通信，从而增加了对更强大、更轻的电源的需求。

每年有数亿个锂电池或装有锂电池的设备被带上飞机。这些可以作为乘客随身携带物品的一部分，也可以作为飞机（如便携式IFE、除颤器）或机组设备（如电子飞行包）。它们可以作为电池形式的货物或在其他购买的物品中装运，以达到“及时交货”的需求，或者实际上是作为飞机设备的电源。锂电池在飞机上越来越普遍。

但在锂电池的引入中，也出现了一些手机或笔记本电脑自燃和燃烧的事件。同样，飞机上也发生了一些事件，从局部和可控的火灾，到导致飞机损失和死亡的大型、不受控制的飞行中火灾。

航空业越来越意识到锂电池的特殊特性，相关的风险现在可以减轻。已经制定了程序，以解决锂电池作为飞机设计的一部分、属于乘客或机组人员携带物品的风险，或者确实是与锂电池作为货物运输有关的程序。

01 .

锂电池：一种功能强大、用途广泛的技术，具有普遍性的风险

LITHIUM BATTERIES: A POWERFUL AND VERSATILE TECHNOLOGY, ASSOCIATED WITH A COMMON RISK

锂是密度最低的金属，但具有最大的电化学电位和能量密度，这意味着它具有良好的储能能力。体积和重量是飞机首先要考虑的问题，这些大能量密度和低重量特性使其成为飞机电源的理想材料。

虽然所使用的技术和固有风险对于所有应用都是相同的，但根据锂电池的使用地点和方式，存在不同的解决方案和程序来降低这种常见风险。（即作为飞机机载设备，作为货物，或作为乘客和机组人员的行李和PED运输）

本节将强调这项新技术的好处，而不论其在应用中的用途如何，并描述“热失控”的相关风险。

▌ 锂电池：用途越来越广

Lithium: an increasing use

锂电池的试验始于1912年，第一批锂电池于1970年代售出。在90年代，锂电池技术开始被许多寻求轻便、强大和耐用电池的行业广泛使用。

事实证明，自上世纪90年代早期发明可充电锂离子电池以来，电池中使用的锂一直是锂需求的主要驱动因素之一（图1）。

▌ 图1通过应用预测锂需求（来源：TRU Group）

如今，锂电池正在逐步取代以前的技术电池，如镍镉、铅酸，并且可以在大多数电子和自动电气系统或设备中找到。随着超薄（小于0.5mm）和灵活技术等最新用途的出现，开发和应用也在不断发展。

锂电池市场非常活跃，发展迅速，作为各种电动汽车的动力源的应用越来越广泛。事实上，预计未来几年内不会出现放缓。2014年，生产了55亿锂离子电池（图2）。

▌ 图2 全球电池生产（来源：Christophe PILLOT, Avicenne Energy）

▌ 不同类型的锂电池，不同的应用

Different types of Lithium batteries, different applications

不同类型

锂电池可以有多种形式。它们可以像单电池按钮电池一样小，例如用作手表的电源，也可以是多电池（通常是可充电的）电池，用作电动汽车的高功率能源，或者实际上用作飞机上的备用电源（图3）。

▌ 图3 锂电池的类型：单/多电池

不同的技术

所说的“锂电池”实际上是指可分为两类的电池系列：

一次性电池：锂金属，不可充电电池。这些包括硬币或圆柱形电池，用于计算器、数码相机和紧急（备份）应用（如图4）

▌ 图4 锂金属电池

锂金属电池比其他电池具有更高的比能量，重量轻，保质期长，使用寿命长。

二次电池：锂离子/锂聚合物充电电池。目前这种电池的主要应用是为手机、笔记本电脑或其他手持电子设备供电，以及为电动/混合动力汽车和电力商店供电（图5）。

▌ 图5 锂离子/锂聚合物电池

锂离子或锂聚合物电池的优点在于，与镍镉和镍金属混合电池相比，它除了具有更高的能量密度和更轻的重量外，还具有充电能力。

▌ 要解决的一个主要内在风险：热失控

One main intrinsic risk to tackle: the thermal runaway

与每一项新技术一样，锂电池有许多优点，但也有局限性。尽管以前的电池技术并不是没有风险，但锂基电池具有更大的电化学潜力；因此，如果损坏、处理不当或制造不当，它们可能会出现稳定性问题，并受到所谓的“热失控”的影响。这一现象现在已经得到了很好的认识，只要采取意识和预防措施，就可以减轻这种现象。

一种自我引燃和高度传播的现象

在内部降解或损坏的情况下，电池单元通过非常有能量的排气反应，会迅速释放其储存的能量（潜在的和化学的），从而产生烟雾、易燃气体、热量（局部高达600°C和1000°C）、火灾、爆炸或可燃性电解液。释放的能量大小，与储存的电化学能量和电池的类型（化学成分和制造）直接相关。

一次和二次电池都能自燃和热失控。一旦这个过程启动，它就很容易传播，因为它产生足够的热量，使相邻的电池进入相同的热失控状态。

锂电池既可以通过自燃和热失控引起火灾，也可以通过点燃周围的易燃材料引起火灾。

对热失控现象的认识

热失控包括不受控制的能量释放。它是指温度升高改变条件，导致温度进一步升高，通常导致破坏性结果的情况。

在多电池电池中，热失控会传播到剩余的电池，可能导致电池熔化或内部电池压力积聚，导致电池爆炸或不受控制的火灾。

造成热失控的主要因素有：

设计不过关或集成不过关
电池或电池制造质量不合格
安全监控或保护不合格
装卸/储存/包装条件差

使用经验

根据其性质和特性，在飞机上的许多地方存在大量的锂电池（图6）：

▌ 图6 飞机上的锂电池

根据联邦航空局2015年6月30日发布的“电池和电动装置-航空货物和乘客烟雾、火灾、高热或爆炸事件”报告，自1991年3月20日起，记录了158起电池作为货物或行李运输的事件。其中81起事件与锂电池有关。

飞机环境中的热失控现象可能是灾难性的。最少也是个人设备的有限损伤，或对顶置储物箱的轻微损坏。在最坏的情况下，高密度锂电池封装中的热失控会导致机体损伤（图7）。

▌ 图7 锂电池热失控的后果

FAA测试表明，即使是少量的电池过热也会释放气体，导致传统灭火系统无法阻止的爆炸和火灾。鉴于可能产生的后果，锂电池被归类为危险物品，因此在航班环境中使用和运输锂电池（或含锂电池的装置）时，必须特别注意和考虑确保安全操作。

02 .

如何降低锂电池带来的风险

HOW TO MITIGATE THE RISKS POSED BY LITHIUM BATTERIES

尽管对报告事件的调查强调，一些锂电池火灾是由于与设计、制造或集成缺陷有关的内部短路引起的，但许多（即使不是大多数）火灾是由用户滥用引起的。这可能是由于有意或无意的处理不当造成的电池本体伤害，但通常是无意识的伤害。

此外，虽然对锂电池作为货物运输有严格的规定，但有几起事故与锂电池在机舱有关。因此，航空公司人员及其乘客，对锂电池所带来的风险有一个良好的认识是至关重要的。

▌ 固定安装的电池

Permanently installed batteries

减轻锂电池带来的风险，防止热失控或火灾，首先要确保电池的安全，这是飞机设计的一部分。在这方面，飞机设计中嵌入的锂电池受到严格的设计和集成要求，符合最高的安全标准。早在产品及其系统的开始设计阶段，新一代锂基电池的内在风险在飞机设计阶段的各个阶段都得到了确认。然后，基于每个电池位置的可接受性证明，以及对安装的彻底审查，确保附近没有热源和危险材料或液体，避免可靠性降低。

在飞机的使用寿命期间，这种风险可以通过遵循常识预防措施来减轻，例如仅使用原始设备制造商（OEM）零件。使用假冒或未经授权的零件会增加火灾和爆炸的风险。因此，遵守空客零件目录并独家使用空客或原始设备制造商的备用电池目录参考是关键。

同样，在买方提供的设备（BFE）或飞机上安装备用电池之前，操作人员应确保这些零件是真正的备用零件，它们已妥善存放和处理，没有过热或损坏的痕迹。

有关使用未经批准的电池的后果的更多信息，请参阅OIT 999.0032/03 Rev 01、OIT 999.0035/04和OIT 999.0145/14。

锂电池空运

锂电池作为可供选择的电源的使用增加，相应的，导致锂电池作为空运货物的运输量增加。如今，锂电池带来的一个主要风险与空运有关。

现行的国际民航组织条例并没有规定锂电池的数量，锂电池可以作为货物装在任何一架飞机上。唯一的限制与可以加载到每个单独包中的容量相关。同样值得理解的是，这些相同的规定并不是为了控制或控制包装内的火灾。

在锂电池着火的情况下，现有的货舱防火装置能提供什么保护？

今天，飞机的货物防火通过以下方式解决：

被动保护（货舱衬里或基本系统保护）
探测
抑制（使用哈龙）或缺氧
防止有害烟雾/灭火剂进入客舱

调查表明，CS/FAR25中所述的货舱防火标准不足以保护飞机免受涉及高密度锂电池运输的火灾的影响。

“高密度”是指有可能使货舱消防系统难以经受的锂电池数量。事实上，由于电池的不同特性（如化学性质、充电状态、尺寸）、货舱类型和装载配置的影响，很难为所有的运行情况确定航班建议的数量限制。测试表明，一些配置，只涉及一个项目的规定包装尺寸，也有可能导致飞机重大损伤。

无论货物大小如何，对锂金属电池和锂离子电池火灾影响的研究表明，现有的货舱灭火系统，即哈龙1301（C级）或缺氧（E级）无法阻止热失控，防止传播到邻近电池单元。如果热失控启动，碳氢化合物电解质降解产生的热量和可燃气体将被释放。

现有的货舱防火系统不能保持住这些积聚的气体。

此外，所产生烟雾的数量和持续产生可能会突破载人区的被动和主动烟雾保护屏障。

根据这些发现，航空业得出结论，当今的货舱，经美国联邦法规第25.857部分和欧洲航空安全局CS 25.857认证，没有显示出对涉及锂金属和锂离子电池的火灾的抵抗力。因此，无法在足够的时间内控制锂电池火灾，以确保飞机的安全飞行和降落，是航空运输业已查明的风险。

飞机货舱的分级

空客机队的货舱根据CS 25.857认证为C级和E级。此外，一些在役飞机仍然有D级货舱，虽然这种分级在1998年被取消用于新生产飞机。

■ C级

对于在飞行过程中无法接近的货舱（地板下部），或者如果在不进入舱内的情况下无法从入口控制火势，则需要C级舱。 C级舱需要配备：

烟雾/火警探测系统
通风控制
内置灭火系统
防火衬里（被动保护）
需要证明没有有害数量的烟雾、火焰或灭火剂能够进入载人区域

■ D级

D级货舱需配备：

通风控制
防火衬里（被动保护）
需要证明，没有危险数量的烟雾或火焰能够进入载人区域

■ E级

E类舱只允许用于货机。需要配备：

烟雾/火警探测系统
通风控制
只有关键系统需要防火保护
需要证明，没有任何有害数量的烟雾、火焰或有害气体能够进入载人区域

规章制度是怎么说的

鉴于已查明的风险，2015年1月，国际民航组织危险品小组采取行动，禁止将所有类型的锂金属电池作为客机上的货物运输。

然而，虽然这是一个重要的发展，锂金属电池只占所有锂电池每年空运的一小部分。因此，对锂离子电池火灾影响的研究仍在继续。如前所述，这项研究表明，锂离子电池本身是一个重大威胁，因为现有的货舱灭火功能对锂离子电池火灾无效。

因此，监管部门正朝着更大的禁令前进，禁止锂电池作为乘客飞机上的货物装运，包括不可充电和可充电电池。在本文发表时，这些讨论正在进行中。在2015年10月的最后一次会议上，国际民航组织危险品小组（DGP）提出了30%的荷电状态（SOC）限制，作为一项临时措施，旨在降低向相邻电池蔓延的火灾风险，从而提高航空安全。

同时，在国际民航组织的讨论集中在建立适当的包装和运输要求，以确保锂离子电池的安全运输。空客还参与了民航安全小组（CAST）的调查，调查从电池本身到包装/集装箱和飞机本身组合的整体方法。

因此，正确运输和运输锂电池的重要性成为关键，托运人和运营商的参与至关重要。

▌ 托运人和运营商可以做什么：风险评估和最佳做法

What shippers and operators can do: risk assessment and best practices

● 查看最新的行业可用信息和指南

锂电池的空运由国际和地方法规控制。如果运输锂电池，运营商需要首先检查最新的航空危险品安全运输说明，无论这些说明是通过适航当局或当地法规和/或国际民航组织提供的。

● 进行风险评估

最后，危险货物（包括锂电池）的安全运输由托运人和经营人负责。建议进行危险货物运输时，应进行货物作业安全风险评估，以确定电池运输是否能够安全处理。

关于锂电池，评估指南应考虑以下因素：

锂电池装运数量和密度
要装运的锂电池类型
锂电池的供应商/发货人是谁及其质量控制
所有锂电池发货的识别和通知
仅接受符合适用法规（国际民航组织和/或当地法规）的锂电池装运
飞机及其系统的总体能力
锂电池与其他易燃/易爆危险品的隔离可能性

● 确保安全包装和运输

当地和/或国际法规提供了运输锂电池时需要遵守的适用规则。应注意：

⊙ 员工培训和意识

飞机对锂电池火灾的限制和现有的缓解措施
法规、处理程序、错误处理的危险以及识别锂电池装运的方法。

⊙ 包装

通过航空运单和其他文件上的信息清楚地识别锂电池的装运
根据国际民航组织的技术说明，确保包装上正确的标签和标识为危险品

⊙ 货物装载

将任何锂电池装运货物与存在火灾危险的其他危险货物（易燃易爆货物）隔离

行业指南，如IATA“降低锂电池运营商风险指南”，也为降低锂电池运输风险提供了有用的信息。

▌ 舱内锂电池运输

Carriage of Lithium batteries in the cabin

尽管最近的讨论已将重点转向将大量锂电池作为货物运输，但由于锂电池在许多应用中的扩散和使用，运营商还需要意识到在乘客行李中携带锂电池的风险——无论是托运的还是随身携带的，托运的客舱行李和随身携带的客舱行李。

锂电池的广泛使用，意味着数百个便携式电子设备（PED）可能被携带在一架大型飞机上，无论是客舱行李还是随身携带。

因此，对于提高乘客对携带锂电池相关风险认识的预防措施至关重要。

● 提高乘客登机前的意识

已就乘客行李中可以或不能携带的物品提出了建议。国际民航组织和国际航空运输协会规定和建议的有关携带和管理旅客行李所载物品的一般要求是：

携带的电池应经过适当的测试（例如，应由原始制造商制造）
装有锂电池的PED应装在随身行李中
备用电池（即不包含在PED中的电池），无论大小，必须放在随身行李中。托运行李中禁止使用电池，应适当保护电池，防止短路，例如将电池留在其原始零售包装中
考虑个人携带的数量。虽然没有对PED或备用电池数量的限制，但低于乘客或机组人员可携带的规定尺寸（通常为100瓦时），但必须是个人使用

然而，关键是让面向旅客的服务人员和乘客自己意识到锂电池运输不当带来的风险，并确保他们了解法规。为了提高公众对旅行的认识，海报和锂电池小册子是一个有用的选择，并被航空公司和世界各地的权威机构广泛使用。例如，美国联邦航空局已发布了15010号安全警报，涉及“携带和托运行李中携带备用锂电池”。

● 提高乘客在飞机上的意识

降低风险的一个关键方面是让所有者，即乘客，意识到飞机环境中使用锂电池固有的风险。确保乘客了解随身行李中锂电池的允许条件，以及正确储存的要求，以及PED被困在活动座椅机构中的影响。

由于其体积小，PED很容易被困在座椅机构中。在座椅调节过程中，随后的挤压会导致过热和热失控。

让乘客意识到这一固有风险有助于减少这种情况。例如，在飞行前安全须知中包括一个通知， 以确保在PED丢失的情况下，在部件被取回之前，座椅不会移动。 同样，在处理由PED引起的火灾时，使机舱和机组人员意识到这种潜在的故障模式是快速有效地采取行动的关键。

国际航空运输协会（IATA）发布了更多关于运输锂电池的运营商风险缓解措施的信息。访问他们的网站了解更多关于不同情况的信息和指导，确保使用最后批准的版本。

▌ 减轻锂电池带来的风险：总结

Mitigating the risks posed by Lithium batteries: summary

锂电池热失控可能是由于设计/制造质量/集成缺陷或不符合一些基本规则造成的。应遵循以下原则，以尽量降低锂电池着火和爆炸的风险：

确保运输的锂电池/电池符合国际标准
确保货物符合国际民航组织/国际航空运输协会的标签、包装和搬运建议
更换电池时，确保符合空中客车零件目录
确保地面、飞行和客舱人员经过培训，乘客了解锂电池的特性

03 .

锂电池着火后的处理

HOW TO MANAGE THE CONSEQUENCES OF A LITHIUM BATTERY FIRE

如前所述，通过让乘客和航空公司人员意识到锂电池所带来的风险而采取主动行动，比应对锂电池引起的火灾更可取，知道在发生锂电池火灾的情况下该怎么做也是至关重要的。安全有效地处理锂电池火灾的关键原则，无论是否在飞行机舱内，都是：

让人们远离火情
减少火蔓延的风险
应用对应的消防措施

▌ 应用对应的消防原则

Apply specific firefighting principles

传统的灭火程序和灭火方法无法有效地阻止锂电池燃烧。

卤代烷可以抑制明火，但它对解决火源无效。 使用水是给予冷却和限制向相邻电池单元传播的最佳选择。

一旦锂电池点燃，则必须集中精力使用水（或其他非酒精液体）冷却周围电池，并防止情况恶化，以避免任何火灾蔓延到相邻电池。

航班中锂电池的安全

正文

请到「今天看啥」查看全文