Incendio en baterías de almacenamiento de energía de iones de litio: ¡Causas, características y estrategias de extinción!

1. Causas de los incendios de baterías
El incendio de una batería es el resultado de la acción combinada del oxidante, los combustibles y la fuente de ignición. Por lo tanto, el mecanismo de fuga térmica de la batería puede simplificarse como un "triángulo de fuga térmica". El proceso de combustión puede terminar con la destrucción de cualquiera de los elementos de este triángulo. En consecuencia, un profundo conocimiento del "triángulo de fuga térmica" puede guiarnos para extinguir eficazmente los incendios de baterías.

En caso de abuso térmico, eléctrico o mecánico, puede producirse un aumento anormal de la temperatura dentro de la batería de iones de sodio. Los materiales en su interior experimentan una serie de reacciones exotérmicas, incrementando aún más la temperatura y la velocidad de reacción de la batería, lo que finalmente desencadena una fuga térmica. Los tipos de materiales combustibles en el proceso de fuga térmica de las baterías son complejos y diversos, incluyendo el electrodo negativo de grafito (material sólido inflamable), el disolvente del electrolito (líquido inflamable), los gases de hidrógeno e hidrocarburos (gas inflamable) y los metales (metal combustible). Además, la composición de los materiales combustibles cambia continuamente durante el proceso de fuga térmica. Asimismo, la evolución de la fuga térmica de la batería no depende exclusivamente del suministro de oxígeno ambiental, ya que la descomposición a alta temperatura del material del electrodo positivo también puede liberar el oxígeno necesario. Por lo tanto, el incendio de una batería es una situación compleja y cambiante.

2. Características de la ignición de la batería
En comparación con los incendios tradicionales, el incendio por sobrecalentamiento de baterías tiene sus propias características únicas, que se resumen a continuación:

(1) Alta tasa de aumento de temperatura. La batería experimentará una reacción exotérmica espontánea en condiciones de uso inadecuado. Tras desencadenarse el desbordamiento térmico, la reacción exotérmica interna de la batería es severa y se genera una gran cantidad de calor en poco tiempo, lo que provoca un aumento brusco de la temperatura de la batería. Durante el proceso de desbordamiento térmico, la tasa máxima de aumento de temperatura de la batería incluso supera los 100 ℃/s, y la temperatura de la superficie supera los 1000 ℃. Esta alta temperatura supera con creces el punto de ignición de otros materiales combustibles dentro y fuera del módulo de la batería, lo que fácilmente puede provocar incendios de mayor magnitud;

(2) acompañado de un intenso chorro de fuego y una alta tasa de liberación de calor. A medida que aumenta la temperatura, la reacción química dentro de la batería se intensifica y libera una gran cantidad de gas, que se acumula en su interior, provocando un aumento gradual de la presión interna. Al alcanzar cierto umbral, la válvula de seguridad de la batería se rompe y expulsa una gran cantidad de gases inflamables, electrolitos y partículas de material, lo que da lugar a un incendio feroz, cuya altura de llama puede llegar incluso a 1-2 m.

(3) El fuego se propaga rápidamente. Cuando uno de los módulos de la batería falla y desencadena una fuga térmica, la disposición compacta puede transferir rápidamente el calor a la batería adyacente, lo que provoca la propagación de la fuga térmica dentro del módulo de la batería, lo que conlleva consecuencias catastróficas.

(4) Es difícil extinguir el fuego, y este tiende a reavivarse fácilmente. Durante el proceso de fuga térmica, la mayoría de las reacciones exotérmicas ocurren dentro de la batería. Debido a la obstrucción de la carcasa, es difícil que el agente extintor penetre en el interior de la batería para bloquear la reacción en cadena de fuga térmica. Por lo tanto, durante el proceso de extinción, el calor dentro de la batería continúa generándose, lo que resulta en un fuego difícil de extinguir. Incluso si el fuego se extingue con éxito, si la temperatura de la batería no se reduce por completo para eliminar la fuente de calor, sigue siendo difícil inhibir la reacción química interna. En este momento, los tres elementos (fuente de ignición, combustible y oxidante) no se han eliminado, y el fuego de la batería tiende a reavivarse fácilmente después de la liberación del agente extintor.

(5) El fuego tiene riesgo de explosión. Los procesos de descontrol térmico producen una gran cantidad de gases, incluidos CO, CO2, CH4, C2H4, H2 y vapores de electrolitos.

(6) El gas de fuga térmica es tóxico. Además de ser combustible y explosivo, el gas producido en el incendio de la batería también presenta cierta toxicidad, siendo una de las principales causas de víctimas. El CO es uno de los gases más tóxicos en el incendio, ya que puede competir con el oxígeno por la hemoglobina en la sangre, reducir la capacidad de suministro de oxígeno de la hemoglobina y causar daño por hipoxia en los tejidos humanos.

3. Estrategias de lucha contra incendios
La función principal de un agente extintor es eliminar uno o dos factores del "triángulo del fuego" para lograr la supresión del incendio y controlar su propagación. El mecanismo de supresión se puede dividir en aislamiento, asfixia, enfriamiento y extinción química. Actualmente, los agentes extintores más utilizados para combatir incendios de baterías se clasifican en agentes extintores gaseosos (dióxido de carbono, heptafluoropropano, perfluorohexanona, nitrógeno líquido, etc.), agentes extintores sólidos (polvo seco y aerosoles, etc.) y agentes extintores líquidos (agua pulverizada, niebla de agua, espuma, etc.).
Los agentes extintores de gas se utilizan ampliamente en incendios de instrumentos de precisión y eléctricos debido a sus ventajas de no conductividad, ausencia de corrosión, ausencia de residuos y alta velocidad de flujo. Al mismo tiempo, el agente extintor de gas puede ejercer un mejor efecto de extinción de incendios en espacios confinados. Entre ellos, el mecanismo de extinción de incendios del dióxido de carbono (CO2) y otros gases inertes es principalmente la asfixia. Debido a que el CO2 tiene dificultades para reducir la temperatura de la batería, su efecto de enfriamiento para la extinción de incendios es limitado, y es difícil extinguir completamente el incendio de la batería. El nitrógeno líquido tiene un buen efecto de enfriamiento y extinción de incendios en baterías, lo que muestra buenas perspectivas de aplicación. Como sustitutos del halón con un excelente rendimiento de extinción de incendios, el sevofluoropropano y la perfluorohexanona se utilizan ampliamente para extinguir incendios de baterías, y sus mecanismos de extinción de incendios incluyen principalmente la asfixia, el enfriamiento y la supresión química. Tanto la gasificación como la descomposición pueden absorber el calor del entorno, reducir la temperatura de la zona del incendio y diluir la concentración de oxígeno. Al mismo tiempo, se descomponen a altas temperaturas para producir fluoruros como el CF3 y el CF2, que atrapan los radicales libres e interrumpen la reacción en cadena de la combustión. Sin embargo, durante el proceso se produce HF, y cuando su concentración es alta, puede causar daños a la salud humana y a los equipos.

Los agentes extintores sólidos, como el polvo seco y el aerosol, ofrecen las ventajas de una alta eficacia, fácil almacenamiento y bajo costo. El polvo seco es un polvo sólido formado por el secado, trituración y mezcla de sales inorgánicas con alta eficacia extintora. Su ingrediente principal es el fosfato de amonio, que aísla, sofoca, enfría y suprime químicamente la llama. Al liberarse en la zona de la llama, los productos de descomposición a altas temperaturas capturan los radicales libres H· y HO·, interrumpiendo la reacción en cadena de la combustión. Al mismo tiempo, la descomposición del polvo seco absorbe calor y produce amoníaco y vapor de agua, reduciendo la concentración de oxígeno en la zona de la llama. Además, al caer sobre la superficie del combustible a alta temperatura, el polvo seco se funde formando una capa vítrea que aísla el oxígeno y sofoca el combustible. Sin embargo, el polvo seco ABC tiene una capacidad de enfriamiento limitada, y tras su liberación, la temperatura del combustible sigue siendo alta, lo que puede provocar una reignición.
En el caso de los agentes extintores líquidos, el uso directo de una gran cantidad de agua pulverizada puede eliminar eficazmente el calor y evitar que se propague sin control a las celdas de la batería adyacentes, pero puede provocar un riesgo de explosión secundaria o problemas de cortocircuito eléctrico debido al contacto con el electrolito, que produce hidrógeno tras el daño de la batería. La niebla de agua aumenta la eficiencia de la evaporación del agua con un tamaño de gota menor, lo que permite una refrigeración más eficiente y un menor consumo de agua, a la vez que reduce estos riesgos. El agente extintor de espuma no solo proporciona un buen aislamiento térmico, sino que también cubre la superficie del material en combustión, aísla el oxígeno e inhibe la reignición de la llama, siendo especialmente adecuado para controlar el flujo de fuego o el derrame de electrolito líquido inflamable en el suelo. Sin embargo, para los diferentes tipos de incendios de baterías, es crucial elegir el método y el agente extintor adecuados para garantizar una extinción segura y eficaz del fuego.

Los incendios en baterías de almacenamiento de energía no solo amenazan la seguridad de las instalaciones, sino que también representan un grave riesgo para el medio ambiente y la salud del personal. Comprender la causa del incendio, dominar sus características y elegir el agente extintor y la estrategia adecuados es fundamental para su prevención y control. Mediante el uso de tecnología avanzada de extinción de incendios, combinada con un mantenimiento y una gestión diarios impecables, se puede reducir eficazmente el riesgo de incendio y garantizar el funcionamiento estable del sistema de almacenamiento de energía.