حريق بطاريات تخزين الطاقة الليثيوم أيون: الأسباب والخصائص واستراتيجيات إخماد الحريق!

1. أسباب حرائق البطاريات
ينتج حريق البطارية عن تفاعل شامل بين المؤكسد والمواد القابلة للاشتعال ومصدر الاشتعال. لذا، يمكن تبسيط آلية الهروب الحراري للبطارية بـ "مثلث الهروب الحراري". يمكن إيقاف عملية الاحتراق بتدمير أي عنصر من عناصر هذا المثلث. وبالتالي، فإن فهمًا عميقًا لهذا المثلث يُساعدنا على إخماد حرائق البطاريات بفعالية.

في حالة التعرض لظروف حرارية أو كهربائية أو ميكانيكية قاسية، قد ترتفع درجة حرارة بطارية أيونات الصوديوم بشكل غير طبيعي، وتخضع المواد الموجودة داخلها لسلسلة من التفاعلات الطاردة للحرارة، مما يزيد من درجة حرارة البطارية وسرعة تفاعلها، ويؤدي في النهاية إلى حدوث هروب حراري. تتنوع أنواع المواد القابلة للاحتراق في عملية الهروب الحراري للبطاريات وتختلف، وتشمل قطب الجرافيت السالب (مادة صلبة قابلة للاشتعال)، ومذيب الإلكتروليت (سائل قابل للاشتعال)، وغازات الهيدروجين والهيدروكربونات (غازات قابلة للاشتعال)، والمعادن (معادن قابلة للاحتراق). علاوة على ذلك، يتغير تركيب المواد القابلة للاحتراق باستمرار خلال عملية الهروب الحراري. كما أن تطور الهروب الحراري للبطارية لا يعتمد كليًا على كمية الأكسجين المتاحة في البيئة، إذ يمكن أن يؤدي التحلل الحراري لمادة القطب الموجب إلى إطلاق الأكسجين اللازم. لذا، يُعد حريق البطارية حالة حريق معقدة ومتغيرة.

2. خصائص حريق البطارية
بالمقارنة مع الحرائق التقليدية، فإن حريق البطارية الحراري المتسارع له خصائصه الفريدة، والتي يمكن تلخيصها على النحو التالي:

(1) ارتفاع معدل درجة الحرارة بشكل كبير. تتعرض البطارية لتفاعل طارد للحرارة تلقائيًا في ظروف الاستخدام غير السليم. بعد حدوث الهروب الحراري، يكون التفاعل الطارد للحرارة الداخلي للبطارية شديدًا، ويتولد قدر كبير من الحرارة في وقت قصير، مما يؤدي إلى ارتفاع حاد في درجة حرارة البطارية. في عملية الهروب الحراري، يتجاوز الحد الأقصى لمعدل ارتفاع درجة حرارة البطارية 100 درجة مئوية/ثانية، وتتجاوز درجة حرارة سطحها 1000 درجة مئوية. تتجاوز هذه الحرارة المرتفعة بكثير نقطة اشتعال المواد القابلة للاحتراق الأخرى داخل وخارج وحدة البطارية، مما قد يؤدي بسهولة إلى حوادث حريق أكبر.

(2) مصحوبًا بلهب نفاث شديد، ومعدل انبعاث حرارة مرتفع. مع ارتفاع درجة الحرارة، يشتد التفاعل الكيميائي داخل البطارية ويطلق كمية كبيرة من الغاز، تتراكم داخلها، مما يؤدي إلى زيادة تدريجية في الضغط الداخلي. عند بلوغ عتبة معينة، ينفتح صمام أمان البطارية ويقذف كمية كبيرة من الغازات القابلة للاشتعال، والإلكتروليتات، وجزيئات المواد، مما ينتج عنه حريق هائل، وقد يصل ارتفاع اللهب إلى متر أو مترين.

(3) ينتشر الحريق بسرعة. عندما تتعطل إحدى وحدات البطارية وتتسبب في حدوث هروب حراري، يمكن للترتيب المتقارب أن ينقل الحرارة بسرعة إلى البطارية المجاورة، مما يؤدي إلى انتشار الهروب الحراري داخل وحدة البطارية، مما يؤدي إلى عواقب كارثية.

(4) يصعب إخماد الحريق، ويسهل اشتعاله مجددًا. في عملية الهروب الحراري، تحدث معظم التفاعلات الطاردة للحرارة داخل البطارية. وبسبب انسداد الغلاف، يصعب على عامل الإطفاء الوصول إلى داخل البطارية لإيقاف سلسلة التفاعلات الحرارية المتسارعة. لذلك، أثناء عملية الإخماد، تستمر الحرارة داخل البطارية في التولد، مما يؤدي إلى حريق يصعب إخماده. حتى في حال إخماد الحريق بنجاح، إذا لم تنخفض درجة حرارة البطارية تمامًا للقضاء على مصدر الحرارة، فسيظل من الصعب كبح التفاعل الكيميائي الداخلي. في هذه الحالة، لم يتم القضاء على العناصر الثلاثة: مصدر الاشتعال، والوقود، والمؤكسد، ويسهل اشتعال حريق البطارية مجددًا بعد إطلاق عامل الإطفاء.

(5) ينطوي الحريق على خطر الانفجار. وتنتج عمليات الهروب الحراري كمية كبيرة من الغازات، بما في ذلك أول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، والميثان، والإيثان، والهيدروجين، وأبخرة الإلكتروليت.

(6) غازات الاحتراق المتصاعدة سامة. فبالإضافة إلى كونها قابلة للاشتعال والانفجار، فإن الغاز الناتج عن حريق البطارية يتمتع بسمية معينة، وهو أحد الأسباب الرئيسية للوفيات. يُعد أول أكسيد الكربون من أكثر الغازات سمية في الحريق، حيث يمكنه منافسة الأكسجين على الهيموجلوبين في الدم، مما يقلل من قدرة الهيموجلوبين على نقل الأكسجين، ويسبب تلفًا في أنسجة الجسم نتيجة نقص الأكسجين.

3. استراتيجيات مكافحة الحرائق
تتمثل الوظيفة الرئيسية لمواد إطفاء الحرائق في القضاء على عامل أو عاملين من عوامل "مثلث الحريق"، وذلك بهدف كبح جماح الحريق والسيطرة على انتشاره. ويمكن تقسيم آليات إطفاء الحرائق إلى العزل، والاختناق، والتبريد، والإخماد الكيميائي. أما مواد إطفاء الحرائق الشائعة الاستخدام حاليًا لإخماد حرائق البطاريات، فتنقسم إلى غازات (مثل ثاني أكسيد الكربون، والهيبتافلوروبروبان، والبيرفلوروهكسانون، والنيتروجين السائل)، ومواد صلبة (مثل المساحيق الجافة والبخاخات)، ومواد سائلة (مثل رذاذ الماء، ورذاذ الماء، والرغوة).
تُستخدم عوامل إطفاء الحرائق الغازية على نطاق واسع في الأجهزة الدقيقة والحرائق الكهربائية نظرًا لمزاياها المتمثلة في عدم التوصيل الكهربائي، وعدم التآكل، وعدم ترك أي رواسب، وسرعة التدفق العالية. كما تتميز هذه العوامل بفعاليتها العالية في إخماد الحرائق في الأماكن المغلقة. ومن بينها، تعتمد آلية إطفاء الحرائق لثاني أكسيد الكربون (CO2) والغازات الخاملة الأخرى بشكل أساسي على الاختناق. ونظرًا لصعوبة خفض درجة حرارة البطارية باستخدام ثاني أكسيد الكربون، فإن تأثيره في التبريد محدود، ويصعب إخماد حريق البطارية بشكل كامل. يتميز النيتروجين السائل بتأثيره الجيد في التبريد وإخماد حرائق البطاريات، مما يبشر بآفاق تطبيق واعدة. وكبديل للهالون ذي الأداء الممتاز في إخماد الحرائق، يُستخدم سيفوفلوروبروبان وبيرفلوروهكسانون على نطاق واسع لإخماد حرائق البطاريات، وتشمل آليات إخماد الحرائق لديهما الاختناق والتبريد والكبح الكيميائي. ويمكن لكل من التغويز والتحلل امتصاص الحرارة المحيطة، وخفض درجة حرارة منطقة الحريق، وتخفيف تركيز الأكسجين. في الوقت نفسه، تتحلل هذه المركبات عند درجات حرارة عالية لإنتاج الفلوريدات مثل CF3 وCF2 التي تحبس الجذور الحرة وتوقف تفاعل الاحتراق المتسلسل. مع ذلك، يُنتج حمض الهيدروفلوريك (HF) خلال هذه العملية، وعندما يرتفع تركيزه، فإنه يُلحق الضرر بصحة الإنسان والمعدات.

تتميز عوامل إطفاء الحرائق الصلبة، مثل المسحوق الجاف والبخاخات، بكفاءة عالية في إطفاء الحرائق، وسهولة التخزين، وانخفاض التكلفة. المسحوق الجاف عبارة عن مسحوق صلب يتكون من تجفيف وسحق وخلط أملاح غير عضوية ذات فعالية عالية في إطفاء الحرائق. المكون الرئيسي لمسحوق ABC الجاف هو فوسفات الأمونيوم، الذي يعمل على عزل اللهب، وخنقه، وتبريده، وإخماده كيميائيًا. بعد إطلاق المسحوق الجاف في منطقة اللهب، تعمل نواتج التحلل عند درجات حرارة عالية على التقاط جذور H· وHO· الحرة، مما يوقف تفاعل الاحتراق المتسلسل. في الوقت نفسه، يمتص تحلل المسحوق الجاف الحرارة وينتج الأمونيا وبخار الماء، مما يخفف تركيز الأكسجين في منطقة اللهب. بالإضافة إلى ذلك، يسقط المسحوق الجاف على سطح الوقود ذي درجة الحرارة العالية، وينصهر مكونًا طبقة زجاجية تعزل الأكسجين وتخنق الوقود. مع ذلك، فإن قدرة التبريد لمسحوق ABC الجاف محدودة، وبعد إطلاقه، تبقى درجة حرارة البطارية مرتفعة، مما قد يؤدي إلى إعادة اشتعالها.
بالنسبة لمواد إطفاء الحرائق السائلة، يُمكن للرش المباشر بكمية كبيرة من الماء أن يُزيل الحرارة بفعالية ويمنع انتشارها إلى خلايا البطارية المجاورة، ولكنه قد يُسبب خطر انفجار ثانوي أو مشاكل ماس كهربائي نتيجةً لتلامسه مع الإلكتروليت، مما يُنتج الهيدروجين بعد تلف البطارية. يُحسّن رذاذ الماء من كفاءة تبخر الماء بفضل صغر حجم قطراته، مما يُتيح تبريدًا أكثر فعالية واستهلاكًا أقل للماء، مع تقليل هذه المخاطر. لا تُوفر رغوة الإطفاء عزلًا حراريًا جيدًا فحسب، بل تُغطي أيضًا سطح المادة المحترقة، وتعزل الأكسجين، وتمنع إعادة اشتعال اللهب، وهي مناسبة بشكل خاص للتعامل مع تدفق النار أو فيضان سائل الإلكتروليت القابل للاشتعال على الأرض. مع ذلك، بالنسبة لأنواع حرائق البطاريات المختلفة، من الضروري اختيار طريقة الإطفاء المناسبة ومادة الإطفاء المناسبة لضمان إطفاء الحريق بشكل آمن وفعال.

لا تُهدد حرائق بطاريات تخزين الطاقة سلامة المنشآت فحسب، بل تُشكل أيضًا تحديات خطيرة على البيئة وصحة العاملين. إن فهم أسباب الحريق، وإتقان خصائصه، واختيار مواد الإطفاء والاستراتيجية المناسبة، هي مفاتيح الوقاية منه والتعامل معه. ومن خلال استخدام تقنيات إطفاء الحرائق المتقدمة، إلى جانب الصيانة والإدارة اليومية المُحكمة، يُمكن الحد من مخاطر الحريق بشكل فعال، لضمان التشغيل المستقر لنظام تخزين الطاقة.