Brand in lithium-ion-accu's: oorzaken, kenmerken en blusstrategieën!

1. Oorzaken van batterijbranden
Een batterijbrand ontstaat door de gecombineerde werking van een oxidator, brandbare stoffen en een ontstekingsbron. Het thermische doorslagmechanisme van een batterij kan daarom worden vereenvoudigd tot een "thermische doorslagdriehoek". Het verbrandingsproces kan worden beëindigd door de vernietiging van een van de elementen in deze "thermische doorslagdriehoek". Een goed begrip van de "thermische doorslagdriehoek" kan ons daarom helpen bij het effectief blussen van batterijbranden.

Bij thermische, elektrische of mechanische overbelasting kan de temperatuur in de natrium-ionbatterij abnormaal stijgen. De materialen in de batterij ondergaan dan een reeks exotherme reacties, waardoor de temperatuur en de reactiesnelheid verder toenemen en uiteindelijk thermische runaway optreedt. De soorten brandbare materialen die betrokken zijn bij het thermische runaway-proces van batterijen zijn complex en divers, waaronder de grafiet-negatieve elektrode (brandbaar vast materiaal), het elektrolyt-oplosmiddel (brandbare vloeistof), waterstof- en koolwaterstofgassen (brandbaar gas) en metalen (brandbaar metaal). Bovendien verandert de samenstelling van de brandbare materialen continu tijdens het thermische runaway-proces. Daarnaast is de ontwikkeling van thermische runaway in de batterij niet volledig afhankelijk van de zuurstoftoevoer vanuit de omgeving; de ontleding van het positieve elektrodemateriaal bij hoge temperaturen kan ook de benodigde zuurstof vrijmaken. Daarom is een batterijbrand een complexe en veranderlijke brandsituatie.

2. Brandkenmerken van de batterij
Vergeleken met een traditionele brand heeft een thermische oververhittingsbrand in een batterij een aantal unieke kenmerken, die als volgt kunnen worden samengevat:

(1) Hoge temperatuurstijgingssnelheid. De batterij zal onder misbruikomstandigheden spontaan een exotherme reactie ondergaan. Na het optreden van thermische runaway is de interne exotherme reactie in de batterij hevig en wordt in korte tijd een grote hoeveelheid warmte gegenereerd, waardoor de temperatuur van de batterij snel stijgt. Tijdens thermische runaway kan de maximale temperatuurstijgingssnelheid van de batterij zelfs meer dan 100 ℃/s bedragen en de oppervlaktetemperatuur meer dan 1000 ℃. Een dergelijke hoge temperatuur ligt ver boven het ontstekingspunt van andere brandbare materialen binnen en buiten de batterijmodule, wat gemakkelijk tot grotere brandongevallen kan leiden;

(2) vergezeld van een intense vuurstraal en een hoge warmteafgifte. Naarmate de temperatuur stijgt, intensiveert de chemische reactie in de batterij en komt er een grote hoeveelheid gas vrij, die zich in de batterij ophoopt, wat resulteert in een geleidelijke toename van de interne druk. Wanneer een bepaalde drempelwaarde wordt bereikt, breekt het veiligheidsventiel van de batterij en worden grote hoeveelheden brandbare gassen, elektrolyten en materiaaldeeltjes uitgestoten, wat resulteert in een hevige brand, waarbij de vlamhoogte zelfs 1 tot 2 meter kan bereiken.

(3) Het vuur verspreidt zich snel. Wanneer een van de batterijmodules uitvalt en thermische oververhitting veroorzaakt, kan de dicht opeengepakte opstelling de warmte snel overdragen op de aangrenzende batterij, wat resulteert in thermische oververhitting binnen de batterijmodule en catastrofale gevolgen kan hebben.

(4) Het is moeilijk om de brand te blussen en de brand kan gemakkelijk opnieuw oplaaien. Tijdens het proces van thermische runaway vinden de meeste exotherme reacties plaats in de batterij. Door de obstructie van de behuizing is het moeilijk voor het blusmiddel om de binnenkant van de batterij binnen te dringen en de kettingreactie van thermische runaway te blokkeren. Daarom blijft er tijdens het blusproces warmte in de batterij gegenereerd worden, wat resulteert in een brand die moeilijk te blussen is. Zelfs als de brand succesvol geblust is, is het nog steeds moeilijk om de interne chemische reactie te remmen als de temperatuur van de batterij niet volledig is verlaagd om de warmtebron te elimineren. Op dat moment zijn de drie elementen ontstekingsbron, brandstof en oxidator niet geëlimineerd en kan de batterijbrand gemakkelijk opnieuw oplaaien na het vrijkomen van het blusmiddel.

(5) Brand brengt het risico van explosie met zich mee. Thermische doorslagprocessen produceren een groot aantal gassen, waaronder CO, CO2, CH4, C2H4, H2 en elektrolytdampen.

(6) Thermisch ontbrandingsgas is giftig. Naast dat het brandbaar en explosief is, heeft het gas dat bij de batterijbrand ontstaat ook een zekere toxiciteit, wat een van de belangrijkste oorzaken van slachtoffers is. CO is een van de giftigste gassen bij de brand. Het kan concurreren met zuurstof om hemoglobine in het bloed, waardoor het zuurstofopnamevermogen van hemoglobine afneemt en hypoxieschade aan menselijk weefsel kan veroorzaken.

3. Brandbestrijdingsstrategieën
De belangrijkste functie van een brandblusmiddel is het elimineren van een of twee factoren in de "branddriehoek", om zo het ontstaan ​​van brand te onderdrukken en de verspreiding ervan te beheersen. Het mechanisme van brandbestrijding kan worden onderverdeeld in isolatie, verstikking, koeling en chemische bestrijding. De brandblusmiddelen die momenteel veelvuldig worden gebruikt bij het blussen van batterijbranden, kunnen worden onderverdeeld in gasvormige brandblusmiddelen (kooldioxide, heptafluorpropaan, perfluorhexanon, vloeibare stikstof, enz.), vaste brandblusmiddelen (droog poeder en aerosolbrandblusmiddelen, enz.) en vloeibare brandblusmiddelen (waternevel, watermist, schuim, enz.).
Gasblusmiddelen worden veel gebruikt bij branden in precisie-instrumenten en elektrische installaties vanwege hun voordelen zoals niet-geleidbaarheid, geen corrosie, geen residu en een hoge stromingssnelheid. Tegelijkertijd kunnen gasblusmiddelen een beter brandbestrijdingseffect hebben in besloten ruimtes. Het brandblusmechanisme van koolstofdioxide (CO2) en andere inerte gassen is voornamelijk verstikking. Omdat CO2 de temperatuur van een batterij moeilijk verlaagt, is het koelende effect van CO2 beperkt en is het moeilijk om een ​​batterijbrand volledig te blussen. Vloeibare stikstof heeft een goed koelend en brandbluseffect bij batterijbranden en biedt daarom goede toepassingsmogelijkheden. Als alternatief voor halon met uitstekende brandbluseigenschappen worden sevofluorpropaan en perfluorhexanon veel gebruikt bij het blussen van batterijbranden. Hun brandblusmechanismen omvatten voornamelijk verstikking, koeling en chemische onderdrukking. Zowel vergassing als ontleding kunnen de omgevingswarmte absorberen, de temperatuur in de brandzone verlagen en de zuurstofconcentratie verdunnen. Tegelijkertijd ontleden ze bij hoge temperaturen tot fluoriden zoals CF3 en CF2, die vrije radicalen afvangen en de verbrandingsketenreactie onderbreken. Tijdens dit proces ontstaat echter ook HF, en bij hoge concentraties kan dit schadelijk zijn voor de menselijke gezondheid en apparatuur.

Vaste blusmiddelen zoals droog poeder en aerosol hebben als voordelen een hoge blusefficiëntie, gemakkelijke opslag en lage kosten. Droog poeder is een vast poeder dat wordt gevormd door het drogen, vermalen en mengen van anorganische zouten met bluseigenschappen. Het hoofdbestanddeel van ABC-droog poeder is ammoniumfosfaat, dat de vlam kan isoleren, verstikken, koelen en chemisch onderdrukken. Nadat het droog poeder in de vlamzone is gebracht, kunnen de ontledingsproducten bij hoge temperaturen H·- en HO·-vrije radicalen afvangen, waardoor de verbrandingsketenreactie wordt onderbroken. Tegelijkertijd absorbeert de ontleding van het droog poeder warmte en produceert ammoniak en waterdamp, waardoor de zuurstofconcentratie in de vlamzone wordt verlaagd. Bovendien slaat het droog poeder neer op het oppervlak van de hete brandstof, smelt het en vormt een glasachtige laag die zuurstof isoleert en de brandstof verstikt. ABC-droog poeder heeft echter een beperkte koelcapaciteit en na het vrijkomen blijft de temperatuur van de batterij hoog, wat kan leiden tot herontsteking.
Bij vloeibare blusmiddelen kan het direct vernevelen van een grote hoeveelheid water de warmte effectief afvoeren en voorkomen dat deze zich ongecontroleerd verspreidt naar aangrenzende batterijcellen. Dit kan echter een secundair explosiegevaar of kortsluiting veroorzaken door contact met de elektrolyt, waardoor waterstofgas vrijkomt nadat de batterij beschadigd is. Waternevel verhoogt de verdampingsefficiëntie van water door de kleinere druppels, wat zorgt voor een efficiëntere koeling en een lager waterverbruik, terwijl deze risico's worden verminderd. Schuimblusmiddelen bieden niet alleen een goede thermische isolatie, maar bedekken ook het oppervlak van het brandende materiaal, sluiten zuurstof uit en voorkomen herontbranding. Ze zijn met name geschikt voor het blussen van een uitslaande brand of het overlopen van brandbare elektrolytvloeistof op de grond. Voor verschillende soorten batterijbranden is het echter cruciaal om de juiste blusmethode en het juiste blusmiddel te kiezen om een ​​veilige en effectieve blussing te garanderen.

Brand in energieopslagbatterijen bedreigt niet alleen de veiligheid van installaties, maar vormt ook een ernstig risico voor het milieu en de gezondheid van het personeel. Inzicht in de oorzaak van brand, kennis van de brandeigenschappen en de keuze van het juiste blusmiddel en de juiste strategie zijn essentieel voor brandpreventie en -bestrijding. Door geavanceerde brandblustechnologie te combineren met perfect dagelijks onderhoud en beheer, kan het brandrisico effectief worden verlaagd en de stabiele werking van het energieopslagsysteem worden gewaarborgd.