Пожар в литий-ионных аккумуляторных батареях: причины, характеристики и стратегии тушения!

1. Причины возгорания батареи
Возгорание батареи является результатом комплексного воздействия окислителя, горючих материалов и источника воспламенения. Поэтому механизм теплового разгона батареи можно упрощенно представить в виде «треугольника теплового разгона». Процесс горения может быть прекращен с разрушением любого элемента этого «треугольника теплового разгона». Следовательно, глубокое понимание «треугольника теплового разгона» может помочь нам эффективно тушить пожары в батареях.

В случае термического, электрического или механического воздействия внутри натрий-ионного аккумулятора может происходить аномальное повышение температуры, и материалы внутри аккумулятора подвергаются серии экзотермических реакций, что еще больше увеличивает температуру и скорость реакции аккумулятора и в конечном итоге приводит к тепловому разгону. Типы горючих материалов в процессе теплового разгона аккумуляторов сложны и разнообразны, включая графитовый отрицательный электрод (воспламеняющийся твердый материал), электролитный растворитель (воспламеняющаяся жидкость), водород и углеводородные газы (воспламеняющийся газ) и металлы (воспламеняющийся металл). Более того, состав горючих материалов постоянно меняется в процессе теплового разгона. Кроме того, развитие теплового разгона аккумулятора не полностью зависит от наличия кислорода в окружающей среде, и высокотемпературное разложение материала положительного электрода также может выделять необходимый кислород. Поэтому возгорание аккумулятора представляет собой сложную и изменчивую ситуацию.

2. Характеристики возгорания батареи
По сравнению с традиционными пожарами, пожар, вызванный тепловым разгоном батареи, имеет свои уникальные особенности, которые можно суммировать следующим образом:

(1) Высокая скорость повышения температуры. В условиях неправильной эксплуатации батарея самопроизвольно подвергается экзотермической реакции. После запуска теплового разгона внутренняя экзотермическая реакция батареи становится интенсивной, и за короткое время выделяется большое количество тепла, что приводит к резкому повышению температуры батареи. В процессе теплового разгона максимальная скорость повышения температуры батареи может даже превышать 100 ℃/с, а температура поверхности — 1000 ℃. Такая высокая температура значительно превышает точку воспламенения других горючих материалов внутри и снаружи батарейного модуля, что легко может привести к более серьезным пожарам;

(2) сопровождается интенсивным струйным огнем и высокой скоростью выделения тепла. По мере повышения температуры химическая реакция внутри батареи усиливается и выделяет большое количество газа, который накапливается внутри батареи, что приводит к постепенному увеличению внутреннего давления. При достижении определенного порога предохранительный клапан батареи срабатывает и выбрасывает большое количество горючих газов, электролитов и частиц материала, что приводит к сильному пожару, высота пламени которого может достигать 1–2 м.

(3) Огонь распространяется быстро. Когда один из аккумуляторных модулей выходит из строя и вызывает тепловой разгон, плотное расположение может быстро передавать тепло соседнему аккумулятору, что приводит к распространению теплового разгона внутри аккумуляторного модуля и к катастрофическим последствиям.

(4) Потушить пожар сложно, и он легко может возгорать снова. В процессе теплового разгона большая часть экзотермических реакций происходит внутри батареи. Из-за препятствий в корпусе огнетушащему веществу трудно проникнуть внутрь батареи, чтобы заблокировать цепную реакцию теплового разгона. Поэтому в процессе тушения пожара внутри батареи продолжает выделяться тепло, что приводит к труднотушимому возгоранию. Даже если пожар успешно потушен, если температуру батареи не удается полностью снизить, чтобы устранить источник тепла, все равно трудно подавить внутреннюю химическую реакцию. В это время три элемента — источник возгорания, топливо и окислитель — не устранены, и после выброса огнетушащего вещества пожар в батарее легко может возгореть снова.

(5) Пожар сопряжен с риском взрыва. Процессы теплового разгона приводят к образованию большого количества газов, включая CO, CO2, CH4, C2H4, H2 и пары электролитов.

(6) Газ, выделяющийся при тепловом разгоне, токсичен. Помимо того, что он горюч и взрывоопасен, газ, образующийся при пожаре батареи, также обладает определенной токсичностью, что является одной из основных причин жертв. Угарный газ (CO) — один из наиболее токсичных газов при пожаре, который может конкурировать с кислородом за гемоглобин в крови, снижая способность гемоглобина к снабжению кислородом и вызывая гипоксическое повреждение тканей человека.

3. Стратегии тушения пожаров
Основная функция огнетушащего вещества заключается в устранении одного или двух факторов в «треугольнике пожара», что позволяет предотвратить возникновение пожара и контролировать его распространение. Механизмы тушения пожара можно разделить на изоляцию, удушение, охлаждение и химическое подавление. В настоящее время наиболее часто используемые огнетушащие вещества для тушения пожаров на батареях можно разделить на газообразные (диоксид углерода, гептафторпропан, перфторгексанон, жидкий азот и др.), твердые (сухой порошок и аэрозоль и др.) и жидкие (водяной спрей, водяной туман, пена и др.).
Газообразные огнетушащие вещества широко используются при тушении пожаров в прецизионных приборах и электрооборудовании благодаря своим преимуществам: непроводящим свойствам, отсутствию коррозии, отсутствию остатков и высокой скорости потока. В то же время, газообразные огнетушащие вещества обеспечивают более эффективное тушение пожаров в замкнутых пространствах. Среди них механизм тушения пожара углекислым газом (CO2) и другими инертными газами в основном заключается в удушении. Поскольку CO2 с трудом снижает температуру батареи, его охлаждающий эффект ограничен, и полностью потушить пожар батареи сложно. Жидкий азот обладает хорошим охлаждающим и огнетушащим эффектом при пожарах батарей, что открывает хорошие перспективы его применения. В качестве замены галона с превосходными огнетушащими свойствами широко используются севофторпропан и перфторгексанон для тушения пожаров батарей, а их механизмы тушения в основном включают удушение, охлаждение и химическое подавление. Как газификация, так и разложение способны поглощать окружающее тепло, снижать температуру в зоне пожара и разбавлять концентрацию кислорода. В то же время, при высоких температурах они разлагаются, образуя фториды, такие как CF3 и CF2, которые улавливают свободные радикалы и прерывают цепную реакцию горения. Однако в процессе будет образовываться HF, и при высокой концентрации он может нанести вред здоровью человека и оборудованию.

Твердые огнетушащие вещества, такие как сухой порошок и аэрозоль, обладают преимуществами высокой эффективности тушения, удобства хранения и низкой стоимости. Сухой порошок представляет собой твердый порошок, полученный путем сушки, измельчения и смешивания неорганических солей, обладающий огнетушащими свойствами. Основным компонентом сухого порошка ABC является фосфат аммония, который способен изолировать, удушать, охлаждать и химически подавлять пламя. После выброса сухого порошка в зону пламени продукты разложения при высоких температурах захватывают свободные радикалы H· и HO·, прерывая цепную реакцию горения. В то же время разложение сухого порошка поглощает тепло и производит аммиак и водяной пар, снижая концентрацию кислорода в зоне пламени. Кроме того, сухой порошок оседает на поверхности высокотемпературного топлива, плавясь и образуя стекловидное покрытие, которое изолирует кислород и удушает топливо. Однако сухой порошок ABC обладает ограниченной охлаждающей способностью, и после выброса температура батареи остается высокой, что может привести к повторному возгоранию.
При использовании жидких огнетушащих веществ прямое распыление большого количества воды эффективно отводит тепло и предотвращает его неконтролируемое распространение на соседние элементы батареи, но может привести к вторичному взрыву или короткому замыканию из-за контакта с электролитом и образования водорода после повреждения батареи. Водяной туман повышает эффективность испарения воды за счет меньшего размера капель, что обеспечивает более эффективное охлаждение и меньший расход воды, снижая при этом эти риски. Пенные огнетушащие вещества не только обеспечивают хорошую теплоизоляцию, но и покрывают поверхность горящего материала, изолируют кислород, предотвращают повторное возгорание, особенно подходят для тушения распространения огня или перелива легковоспламеняющегося электролита на землю. Однако для разных типов пожаров в батареях крайне важно выбрать правильный метод и огнетушащее вещество, чтобы обеспечить безопасное и эффективное тушение пожара.

Пожары, вызванные аккумуляторными батареями, не только угрожают безопасности объектов, но и представляют серьезную угрозу для окружающей среды и здоровья персонала. Понимание причин возникновения пожара, знание его характеристик, а также выбор подходящего огнетушащего вещества и стратегии являются ключом к предотвращению и борьбе с пожарами. Использование передовых технологий пожаротушения в сочетании с безупречным ежедневным техническим обслуживанием и управлением позволяет эффективно снизить риск возникновения пожара и обеспечить стабильную работу системы хранения энергии.