Incêndio em baterias de íon-lítio: causas, características e estratégias de combate a incêndio!

1. Causas de incêndio em baterias
O incêndio em baterias resulta da ação conjunta de oxidante, combustível e fonte de ignição. Portanto, o mecanismo de fuga térmica em baterias pode ser simplificado como um "triângulo de fuga térmica". O processo de combustão pode ser interrompido com a destruição de qualquer elemento desse "triângulo de fuga térmica". Assim, uma compreensão profunda do "triângulo de fuga térmica" pode nos guiar na extinção eficaz de incêndios em baterias.

Em casos de abuso térmico, elétrico ou mecânico, pode ocorrer um aumento anormal da temperatura dentro da bateria de íon-sódio. Os materiais internos da bateria sofrem uma série de reações exotérmicas, aumentando ainda mais a temperatura e a taxa de reação, o que pode levar ao descontrole térmico. Os tipos de materiais combustíveis envolvidos no processo de descontrole térmico das baterias são complexos e diversos, incluindo o eletrodo negativo de grafite (material sólido inflamável), o solvente do eletrólito (líquido inflamável), gases de hidrogênio e hidrocarbonetos (gases inflamáveis) e metais (metais combustíveis). Além disso, a composição dos materiais combustíveis muda continuamente durante o processo de descontrole térmico. Ademais, a evolução do descontrole térmico da bateria não depende exclusivamente do suprimento de oxigênio do ambiente; a decomposição em alta temperatura do material do eletrodo positivo também pode liberar o oxigênio necessário. Portanto, o incêndio em baterias é uma situação complexa e variável.

2. Características de incêndio da bateria
Em comparação com incêndios tradicionais, o incêndio por fuga térmica em baterias possui características únicas, que podem ser resumidas a seguir:

(1) Alta taxa de aumento de temperatura. A bateria sofrerá reação exotérmica espontânea sob condições de abuso. Após o desencadeamento da fuga térmica, a reação exotérmica interna da bateria é severa e uma grande quantidade de calor é gerada em um curto período de tempo, fazendo com que a temperatura da bateria suba bruscamente. No processo de fuga térmica, a taxa máxima de aumento de temperatura da bateria pode ultrapassar 100 ℃/s, e a temperatura da superfície pode ultrapassar 1000 ℃. Essa alta temperatura excede em muito o ponto de ignição de outros materiais combustíveis dentro e fora do módulo da bateria, o que pode facilmente levar a acidentes de incêndio de maior gravidade;

(2) acompanhado por intenso jato de fogo e alta taxa de liberação de calor. À medida que a temperatura aumenta, a reação química dentro da bateria se intensifica e libera uma grande quantidade de gás, que se acumula dentro da bateria, resultando em um aumento gradual da pressão interna. Quando um certo limite é atingido, a válvula de segurança da bateria se rompe e ejeta uma grande quantidade de gases inflamáveis, eletrólitos e partículas de material, resultando em um incêndio violento, cuja altura da chama pode chegar a 1~2 m.

(3) O fogo se espalha rapidamente. Quando um dos módulos de bateria falha e desencadeia uma fuga térmica, o arranjo compacto pode transferir rapidamente calor para a bateria adjacente, resultando na propagação da fuga térmica dentro do módulo de bateria, levando a consequências catastróficas.

(4) É difícil extinguir o fogo, e ele reacende com facilidade. No processo de fuga térmica, a maioria das reações exotérmicas ocorre dentro da bateria. Devido à obstrução da carcaça, é difícil para o agente extintor penetrar no interior da bateria e bloquear a reação em cadeia da fuga térmica. Portanto, durante o processo de extinção do fogo, o calor continua a ser gerado dentro da bateria, resultando em um incêndio difícil de extinguir. Mesmo que o fogo seja extinto com sucesso, se a temperatura da bateria não for completamente reduzida para eliminar a fonte de calor, ainda será difícil inibir a reação química interna. Nesse momento, os três elementos – fonte de ignição, combustível e oxidante – não foram eliminados, e o fogo na bateria reacende facilmente após a liberação do agente extintor.

(5) O fogo apresenta risco de explosão. Os processos de fuga térmica produzem um grande número de gases, incluindo CO, CO2, CH4, C2H4, H2 e vapores de eletrólitos.

(6) O gás de fuga térmica é tóxico. Além de ser combustível e explosivo, o gás produzido no incêndio da bateria também possui certa toxicidade, sendo uma das principais causas de fatalidades. O CO é um dos gases mais tóxicos no incêndio, podendo competir com o oxigênio pela hemoglobina no sangue, reduzir a capacidade de fornecimento de oxigênio da hemoglobina e causar danos por hipóxia aos tecidos humanos.

3. Estratégias de combate a incêndios
A principal função dos agentes extintores de incêndio é eliminar um ou dois fatores no "triângulo do fogo", de modo a suprimir o início e controlar a propagação do incêndio. O mecanismo de supressão de incêndios pode ser dividido em isolamento, asfixia, resfriamento e supressão química. Atualmente, os agentes extintores mais comuns utilizados para combater incêndios em baterias podem ser classificados em agentes extintores gasosos (dióxido de carbono, heptafluoropropano, perfluorohexanona, nitrogênio líquido, etc.), agentes extintores sólidos (pó químico seco e aerossóis, etc.) e agentes extintores líquidos (água pulverizada, névoa de água, espuma, etc.).
Os agentes extintores gasosos são amplamente utilizados em incêndios em instrumentos de precisão e equipamentos elétricos devido às suas vantagens de não condutividade, ausência de corrosão, ausência de resíduos e alta velocidade de escoamento. Ao mesmo tempo, o agente extintor gasoso apresenta melhor eficácia no combate a incêndios em espaços confinados. Dentre eles, o mecanismo de extinção de incêndios do dióxido de carbono (CO2) e outros gases inertes baseia-se principalmente na asfixia. Como o CO2 tem dificuldade em reduzir a temperatura da bateria, seu efeito de resfriamento no combate a incêndios é limitado, dificultando a extinção completa do fogo. O nitrogênio líquido apresenta bom efeito de resfriamento e extinção de incêndios em baterias, demonstrando um bom potencial de aplicação. Como substitutos do halon com excelente desempenho de extinção de incêndios, o sevofluoropropano e a perfluorohexanona são amplamente utilizados para extinguir incêndios em baterias, e seus mecanismos de extinção incluem principalmente asfixia, resfriamento e supressão química. Tanto a gaseificação quanto a decomposição podem absorver o calor circundante, reduzir a temperatura da zona de incêndio e diluir a concentração de oxigênio. Ao mesmo tempo, decompõem-se a altas temperaturas, produzindo fluoretos como CF3 e CF2, que capturam radicais livres e interrompem a reação em cadeia da combustão. No entanto, o HF será produzido durante o processo e, quando a concentração for alta, causará danos à saúde humana e aos equipamentos.

Agentes extintores sólidos, como pó químico seco e aerossol, apresentam vantagens como alta eficiência de extinção, armazenamento conveniente e baixo custo. O pó químico seco é um pó sólido formado pela secagem, trituração e mistura de sais inorgânicos com alta eficiência de extinção de incêndios. O principal ingrediente do pó químico seco ABC é o fosfato de amônio, que pode isolar, asfixiar, resfriar e suprimir quimicamente a chama. Após a liberação do pó químico seco na zona de chamas, os produtos de decomposição em altas temperaturas podem capturar radicais livres H· e HO·, interrompendo a reação em cadeia da combustão. Ao mesmo tempo, a decomposição do pó químico seco absorve calor e produz amônia e vapor de água, diluindo a concentração de oxigênio na zona de chamas. Além disso, o pó químico seco cai sobre a superfície do combustível em alta temperatura, derretendo e formando uma camada vítrea que isola o oxigênio e sufoca o combustível. No entanto, o pó químico seco ABC tem capacidade de resfriamento limitada e, após a liberação, a temperatura da bateria permanece alta, o que pode levar à reignição.
Para agentes extintores líquidos, o uso direto de um grande volume de água pulverizada pode remover o calor de forma eficaz e impedir que ele se propague descontroladamente para as células adjacentes da bateria. No entanto, isso pode causar risco de explosão secundária ou curto-circuito devido ao contato com o eletrólito, que pode gerar hidrogênio após o dano à bateria. A névoa de água, por sua vez, aumenta a eficiência da evaporação com gotas menores, permitindo um resfriamento mais eficiente e menor consumo de água, reduzindo esses riscos. Os agentes extintores em espuma não só proporcionam bom isolamento térmico, como também cobrem a superfície do material em chamas, isolando o oxigênio e inibindo a reignição. São especialmente indicados para lidar com incêndios em larga escala ou derramamentos de eletrólito inflamável no solo. Contudo, para diferentes tipos de incêndios em baterias, é crucial escolher o método e o agente extintor adequados para garantir a extinção segura e eficaz do fogo.

Incêndios em baterias de armazenamento de energia não apenas ameaçam a segurança das instalações, mas também representam sérios desafios para o meio ambiente e a saúde das pessoas. Compreender a causa do incêndio, dominar suas características e escolher o agente extintor e a estratégia adequados é fundamental para a prevenção e o combate a incêndios. Através do uso de tecnologia avançada de combate a incêndios, combinada com manutenção e gestão diárias perfeitas, o risco de incêndio pode ser efetivamente reduzido, garantindo a operação estável do sistema de armazenamento de energia.