Incendio di una batteria agli ioni di litio: cause, caratteristiche e strategie di estinzione!

1. Cause degli incendi delle batterie
L'incendio di una batteria è il risultato dell'azione combinata di ossidante, materiali combustibili e fonte di innesco. Pertanto, il meccanismo di instabilità termica della batteria può essere semplificato in un "triangolo di instabilità termica". Il processo di combustione può essere interrotto con la distruzione di qualsiasi elemento del "triangolo di instabilità termica". Di conseguenza, una profonda comprensione del "triangolo di instabilità termica" può guidarci nell'estinzione efficace degli incendi delle batterie.

In caso di abuso termico, elettrico o meccanico, all'interno della batteria agli ioni di sodio può verificarsi un aumento anomalo della temperatura. I materiali al suo interno subiscono una serie di reazioni esotermiche, che aumentano ulteriormente la temperatura e la velocità di reazione, innescando infine una reazione a catena termica. I materiali combustibili coinvolti nel processo di reazione a catena termica delle batterie sono complessi e diversificati, e includono l'elettrodo negativo in grafite (materiale solido infiammabile), il solvente dell'elettrolita (liquido infiammabile), l'idrogeno e gli idrocarburi gassosi (gas infiammabili) e i metalli (metalli combustibili). Inoltre, la composizione dei materiali combustibili cambia continuamente durante il processo di reazione a catena termica. Infine, l'evoluzione della reazione a catena termica della batteria non dipende esclusivamente dalla disponibilità di ossigeno nell'ambiente; anche la decomposizione ad alta temperatura del materiale dell'elettrodo positivo può rilasciare l'ossigeno necessario. Pertanto, l'incendio di una batteria è una situazione complessa e mutevole.

2. Caratteristiche di incendio della batteria
Rispetto agli incendi tradizionali, gli incendi causati da un'instabilità termica delle batterie presentano caratteristiche peculiari, riassumibili come segue:

(1) Elevato tasso di aumento della temperatura. La batteria subisce spontaneamente una reazione esotermica in condizioni di utilizzo improprio. Dopo l'innesco della fuga termica, la reazione esotermica interna della batteria è intensa e genera una grande quantità di calore in breve tempo, causando un rapido aumento della temperatura della batteria. Durante la fuga termica, il tasso massimo di aumento della temperatura della batteria può superare i 100 °C/s e la temperatura superficiale può superare i 1000 °C. Una temperatura così elevata supera di gran lunga il punto di accensione di altri materiali combustibili all'interno e all'esterno del modulo batteria, il che può facilmente portare a gravi incendi;

(2) accompagnato da un intenso getto di fuoco e da un'elevata velocità di rilascio del calore. Con l'aumento della temperatura, la reazione chimica all'interno della batteria si intensifica e rilascia una grande quantità di gas, che si accumula all'interno della batteria, provocando un graduale aumento della pressione interna. Quando viene raggiunta una certa soglia, la valvola di sicurezza della batteria si rompe ed espelle una grande quantità di gas infiammabili, elettroliti e particelle di materiale, provocando un incendio violento, e l'altezza della fiamma può anche raggiungere 1~2 m.

(3) L'incendio si propaga rapidamente. Quando uno dei moduli della batteria si guasta e innesca una reazione a catena termica, la disposizione compatta può trasferire rapidamente il calore alla batteria adiacente, provocando la propagazione della reazione a catena termica all'interno del modulo della batteria, con conseguenze catastrofiche.

(4) È difficile estinguere l'incendio, ed è facile che si riaccenda. Nel processo di instabilità termica, la maggior parte delle reazioni esotermiche si verificano all'interno della batteria. A causa dell'ostruzione dell'involucro, è difficile per l'agente estinguente entrare all'interno della batteria per bloccare la reazione a catena di instabilità termica. Pertanto, durante il processo di estinzione dell'incendio, il calore all'interno della batteria continua a essere generato, provocando un incendio difficile da estinguere. Anche se l'incendio viene estinto con successo, se la temperatura della batteria non può essere completamente ridotta per eliminare la fonte di calore, è comunque difficile inibire la reazione chimica interna. In questo momento, i tre elementi della fonte di innesco, del combustibile e dell'ossidante non sono stati eliminati, ed è facile che l'incendio della batteria si riaccenda dopo il rilascio dell'agente estinguente.

(5) Il fuoco comporta il rischio di esplosione. I processi di reazione termica incontrollata producono un gran numero di gas, tra cui CO, CO2, CH4, C2H4, H2 e vapori elettrolitici.

(6) Il gas fuori controllo termico è tossico. Oltre ad essere combustibile ed esplosivo, il gas prodotto nell'incendio della batteria ha anche una certa tossicità, che è una delle principali cause di vittime. Il CO è uno dei gas più tossici nell'incendio, che può competere con l'ossigeno per l'emoglobina nel sangue, ridurre la capacità di apporto di ossigeno dell'emoglobina e causare danni da ipossia ai tessuti umani.

3. Strategie antincendio
La funzione principale di un agente estinguente è quella di eliminare uno o due fattori del "triangolo del fuoco", in modo da raggiungere lo scopo di sopprimere l'insorgenza dell'incendio e controllarne la propagazione. Il meccanismo di soppressione dell'incendio può essere suddiviso in isolamento, asfissia, raffreddamento e soppressione chimica. Attualmente, gli agenti estinguenti comunemente utilizzati per spegnere gli incendi delle batterie si dividono in agenti estinguenti gassosi (anidride carbonica, eptafluoropropano, perfluoroesanone, azoto liquido, ecc.), agenti estinguenti solidi (polveri secche e aerosol, ecc.) e agenti estinguenti liquidi (acqua nebulizzata, acqua nebulizzata, schiuma, ecc.).
Gli agenti estinguenti gassosi sono ampiamente utilizzati negli incendi di strumenti di precisione e di apparecchiature elettriche grazie ai loro vantaggi quali non conduttività, assenza di corrosione, assenza di residui e velocità di flusso. Allo stesso tempo, gli agenti estinguenti gassosi possono svolgere un'efficace azione antincendio in spazi confinati. Tra questi, il meccanismo di estinzione degli incendi di anidride carbonica (CO2) e di altri gas inerti si basa principalmente sull'asfissia. Poiché la CO2 ha difficoltà a ridurre la temperatura della batteria, il suo effetto di raffreddamento è limitato e risulta difficile estinguere completamente l'incendio. L'azoto liquido, invece, presenta un buon effetto di raffreddamento e di estinzione degli incendi di batterie, mostrando promettenti prospettive di applicazione. In sostituzione dell'halon, il sevofluoropropano e il perfluoroesanone, con eccellenti prestazioni antincendio, sono ampiamente utilizzati per estinguere gli incendi di batterie, e i loro meccanismi di estinzione includono principalmente asfissia, raffreddamento e soppressione chimica. Sia la gassificazione che la decomposizione possono assorbire il calore circostante, ridurre la temperatura della zona dell'incendio e diluire la concentrazione di ossigeno. Allo stesso tempo, si decompongono ad alte temperature producendo fluoruri come CF3 e CF2 che intrappolano i radicali liberi e interrompono la reazione a catena della combustione. Tuttavia, durante il processo si produce anche HF, che, se presente in concentrazioni elevate, può causare danni alla salute umana e alle apparecchiature.

Gli agenti estinguenti solidi, come la polvere secca e gli aerosol, presentano i vantaggi di un'elevata efficacia estinguente, una facile conservazione e un basso costo. La polvere secca è una polvere solida ottenuta essiccando, frantumando e miscelando sali inorganici con proprietà estinguenti. L'ingrediente principale della polvere secca ABC è il fosfato di ammonio, che ha la capacità di isolare, asfissiare, raffreddare e sopprimere chimicamente la fiamma. Dopo il rilascio nella zona della fiamma, i prodotti di decomposizione ad alte temperature possono catturare i radicali liberi H• e HO•, interrompendo la reazione a catena della combustione. Allo stesso tempo, la decomposizione della polvere secca assorbe calore e produce ammoniaca e vapore acqueo, diluendo la concentrazione di ossigeno nella zona della fiamma. Inoltre, la polvere secca, depositandosi sulla superficie del combustibile ad alta temperatura, si fonde formando una pellicola vetrosa che isola l'ossigeno e soffoca il combustibile. Tuttavia, la polvere secca ABC ha una capacità di raffreddamento limitata e, dopo il rilascio, la temperatura della batteria rimane elevata, il che potrebbe causare una riaccensione.
Nel caso di agenti estinguenti liquidi, l'uso diretto di una grande quantità di acqua nebulizzata può dissipare efficacemente il calore e impedire che si propaghi in modo incontrollato alle celle adiacenti della batteria, ma può comportare un rischio di esplosione secondaria o problemi di cortocircuito elettrico a causa del contatto con l'elettrolita, con conseguente produzione di idrogeno dopo il danneggiamento della batteria. La nebulizzazione dell'acqua, grazie alla dimensione ridotta delle gocce, aumenta l'efficienza dell'evaporazione, consentendo un raffreddamento più efficace e un minore consumo di acqua, riducendo al contempo tali rischi. Gli agenti estinguenti schiumogeni non solo forniscono un buon effetto di isolamento termico, ma coprono anche la superficie del materiale in fiamme, isolano l'ossigeno e inibiscono la riaccensione della fiamma, risultando particolarmente adatti per gestire incendi di grandi dimensioni o fuoriuscite di liquido elettrolitico infiammabile. Tuttavia, per i diversi tipi di incendi di batterie, è fondamentale scegliere il metodo e l'agente estinguente più appropriati per garantire uno spegnimento sicuro ed efficace.

Gli incendi delle batterie di accumulo di energia non solo minacciano la sicurezza degli impianti, ma rappresentano anche una seria minaccia per l'ambiente e la salute del personale. Comprendere le cause degli incendi, padroneggiarne le caratteristiche e scegliere l'agente estinguente e la strategia più appropriati è fondamentale per prevenirli e gestirli efficacemente. Grazie all'impiego di tecnologie antincendio avanzate, abbinate a una manutenzione e gestione quotidiana impeccabili, è possibile ridurre efficacemente il rischio di incendio e garantire il funzionamento stabile del sistema di accumulo di energia.