Загоряння літій-іонного акумулятора: причини, характеристики та стратегії пожежогасіння!

1. Причини займання акумулятора
Пожежа акумулятора є результатом комплексної дії окислювача, горючих речовин та джерела займання. Тому механізм теплового вибуху акумулятора можна спрощено описати як «трикутник теплового вибуху». Процес горіння може бути припинений руйнуванням будь-якого елемента «трикутника теплового вибуху». Тому глибоке розуміння «трикутника теплового вибуху» може допомогти нам ефективно гасити пожежі акумулятора.

У разі термічного, електричного або механічного впливу всередині натрій-іонного акумулятора може статися аномальне підвищення температури, і матеріали всередині акумулятора зазнають серії екзотермічних реакцій, що ще більше підвищує температуру та швидкість реакції акумулятора, і зрештою викликає теплове вибухання. Типи горючих матеріалів у процесі теплового вибухання акумуляторів є складними та різноманітними, включаючи графітовий негативний електрод (легкозаймиста тверда речовина), розчинник електроліту (легкозаймиста рідина), водень та вуглеводневі гази (легкозаймистий газ) та метали (горючий метал). Більше того, склад горючих матеріалів постійно змінюється в процесі теплового вибухання. Крім того, теплове вибухання акумулятора не повністю залежить від постачання кисню з навколишнього середовища, і високотемпературне розкладання матеріалу позитивного електрода також може вивільняти необхідний кисень. Тому займання акумулятора є складною та мінливою пожежною ситуацією.

2. Характеристики пожежі в акумуляторній батареї
Порівняно з традиційним вогнем, термічний вогонь з неконтрольованим вибухом має свою унікальність, яку можна коротко описати наступним чином:

(1) Висока швидкість підвищення температури. В умовах зловживання акумулятор спонтанно протікає екзотермічна реакція. Після виникнення теплового розгону внутрішня екзотермічна реакція акумулятора є сильною, і за короткий час виділяється велика кількість тепла, що призводить до різкого підвищення температури акумулятора. У процесі теплового розгону максимальна швидкість підвищення температури акумулятора перевищує навіть 100 ℃/с, а температура поверхні перевищує 1000 ℃. Така висока температура значно перевищує точку займання інших горючих матеріалів всередині та зовні акумуляторного модуля, що легко призводить до більших пожеж;

(2) супроводжується інтенсивним струменевим полум'ям та високою швидкістю виділення тепла. Зі зростанням температури хімічна реакція всередині акумулятора посилюється та вивільняє велику кількість газу, який накопичується всередині акумулятора, що призводить до поступового підвищення внутрішнього тиску. Коли досягається певний поріг, запобіжний клапан акумулятора ламається та викидає велику кількість легкозаймистих газів, електролітів та матеріальних частинок, що призводить до сильної пожежі, висота полум'я може сягати навіть 1~2 м.

(3) Вогонь швидко поширюється. Коли один з акумуляторних модулів виходить з ладу та викликає тепловий вибух, щільно упаковане розташування елементів може швидко передати тепло сусідньому акумулятору, що призводить до поширення теплового вибуху всередині акумуляторного модуля та призводить до катастрофічних наслідків.

(4) Пожежу важко загасити, а запалити знову легко. У процесі теплового вибуху більшість екзотермічних реакцій відбувається всередині акумулятора. Через обструкцію корпусу вогнегасній речовині важко потрапити всередину акумулятора, щоб блокувати ланцюгову реакцію теплового вибуху. Тому під час процесу гасіння пожежі тепло всередині акумулятора продовжує утворюватися, що призводить до пожежі, яку важко загасити. Навіть якщо пожежу успішно загасити, якщо температуру акумулятора неможливо повністю знизити, щоб усунути джерело тепла, все одно важко зупинити внутрішню хімічну реакцію. У цей час три елементи джерела займання, паливо та окислювач, не усунуті, і пожежа акумулятора легко спалахує знову після вивільнення вогнегасної речовини.

(5) Вогонь має ризик вибуху. Термічні процеси неконтрольованого вибуху утворюють велику кількість газів, включаючи CO, CO2, CH4, C2H4, H2 та пари електролітів.

(6) Газ, що утворюється внаслідок теплового вибуху, є токсичним. Окрім того, що газ, що утворюється внаслідок пожежі акумулятора, є горючим та вибухонебезпечним, він також має певну токсичність, що є однією з основних причин людських жертв. CO є одним із найтоксичніших газів у пожежі, який може конкурувати з киснем за гемоглобін у крові, знижувати здатність гемоглобіну доставляти кисень та спричиняти гіпоксію тканин людини.

3. Стратегії пожежогасіння
Основна функція вогнегасної речовини полягає в усуненні одного або двох факторів у "трикутнику вогню", щоб досягти мети придушення виникнення пожежі та контролю поширення вогню. Механізм пожежогасіння можна розділити на ізоляцію, задуху, охолодження та хімічне придушення. Наразі поширені вогнегасні речовини, що використовуються для гасіння пожеж від акумуляторів, можна розділити на газові вогнегасні речовини (вуглекислий газ, гептафторпропан, перфторгексанон, рідкий азот тощо), тверді вогнегасні речовини (сухі порошкові та аерозольні вогнегасні речовини тощо) та рідкі вогнегасні речовини (водяний розпилювач, водяний туман, піна тощо).
Газові вогнегасники широко використовуються в точних приладах та електрообладнанні завдяки своїм перевагам: непровідності, відсутності корозії, залишків та швидкій течії. Водночас, газові вогнегасники можуть мати кращий вогнегасний ефект у замкнутому просторі. Серед них механізм вогнегасіння вуглекислого газу (CO2) та інших інертних газів полягає переважно у задусі. Оскільки CO2 важко знизити температуру акумулятора, охолоджувальний ефект CO2 обмежений, і важко повністю загасити пожежу акумулятора. Рідкий азот має хороший охолоджувальний та вогнегасний ефект при пожежах акумулятора, що свідчить про хороші перспективи застосування. Як замінник галону з відмінними вогнегасними властивостями, севофторпропан та перфторгексанон широко використовуються для гасіння пожеж акумуляторів, а їхні механізми вогнегасіння переважно включають задуху, охолодження та хімічне придушення. Як газифікація, так і розкладання можуть поглинати навколишнє тепло, знижувати температуру зони пожежі та розбавляти концентрацію кисню. Водночас вони розкладаються за високих температур з утворенням фторидів, таких як CF3 та CF2, які захоплюють вільні радикали та переривають ланцюгову реакцію горіння. Однак під час процесу утворюватиметься HF, і коли його концентрація висока, він завдасть шкоди здоров'ю людини та обладнанню.

Тверді вогнегасні речовини, такі як сухий порошок та аерозоль, мають переваги високої ефективності вогнегасіння, зручного зберігання та низької вартості. Сухий порошок - це твердий порошок, утворений шляхом сушіння, подрібнення та змішування неорганічних солей, з ефективністю вогнегасіння. Основним інгредієнтом сухого порошку ABC є фосфат амонію, який може ізолювати, задушувати, охолоджувати та хімічно пригнічувати полум'я. Після потрапляння сухого порошку в зону полум'я продукти розкладання при високих температурах можуть захоплювати вільні радикали H· та HO·, перериваючи ланцюгову реакцію горіння. Водночас, розкладання сухого порошку поглинає тепло та утворює аміак і водяну пару, розбавляючи концентрацію кисню в зоні полум'я. Крім того, сухий порошок падає на поверхню високотемпературного палива, плавлячись, утворюючи скляне покриття, яке ізолює кисень і задушує паливо. Однак, сухий порошок ABC має обмежену охолоджувальну здатність, і після потрапляння температура акумулятора все ще висока, що може призвести до повторного займання.
Для рідких вогнегасних засобів пряме використання великої кількості водяного розпилення може ефективно відводити тепло та запобігати його неконтрольованому поширенню на сусідні елементи акумулятора, але це може спричинити вторинний вибух або проблеми з електричним коротким замиканням через контакт з електролітом, що призведе до утворення водню після пошкодження акумулятора. Водяний туман підвищує ефективність випаровування води завдяки меншому розміру крапель, що забезпечує ефективніше охолодження та менше споживання води, одночасно зменшуючи ці ризики. Пінні вогнегасні засоби можуть не тільки забезпечити хороший теплоізоляційний ефект, але й покрити поверхню палаючого матеріалу, ізолювати кисень, перешкоджати повторному займанню полум'я, особливо підходять для боротьби з потоком вогню або переливом легкозаймистої рідини електроліту через землю. Однак для різних типів пожеж акумуляторів вкрай важливо вибрати правильний метод гасіння та вогнегасну речовину, щоб забезпечити безпечне та ефективне гасіння пожежі.

Пожежі в акумуляторних батареях не лише загрожують безпеці об'єктів, але й створюють серйозні проблеми для навколишнього середовища та здоров'я персоналу. Розуміння причини пожежі, вивчення характеристик пожежі та вибір відповідної вогнегасної речовини та стратегії є ключем до запобігання та боротьби з пожежами. Завдяки використанню передових технологій пожежогасіння в поєднанні з бездоганним щоденним технічним обслуговуванням та управлінням, ризик пожежі можна ефективно зменшити, щоб забезпечити стабільну роботу системи накопичення енергії.