Säkerheten för litiumbatterier har alltid varit ett bekymmer i branschen. På grund av deras speciella materialstruktur och komplexa driftsmiljö kommer det att orsaka utrustningsskador, egendomsförlust och till och med olyckor när en brandolycka inträffar. Efter att en brand i litiumbatteriet inträffat är bortskaffandet svårt, tar lång tid och innebär ofta generering av en stor mängd giftiga gaser. Därför kan brandsläckning i tid effektivt kontrollera spridningen av branden, undvika omfattande förbränning och ge personalen mer tid att fly.

Under den termiska flyktprocessen med litiumjonbatterier uppstår ofta rök, eld och till och med explosion. Därför har kontroll av det termiska runaway- och diffusionsproblemet blivit den största utmaningen för litiumbatteriprodukter under användning. Att välja rätt brandsläckningsteknik kan förhindra ytterligare spridning av batterivärmespridning, vilket är av stor betydelse för att förhindra brand.

Den här artikeln kommer att introducera de vanliga brandsläckare och släckningsmekanismer som för närvarande finns på marknaden, och analysera fördelarna och nackdelarna med olika typer av brandsläckare.

Typer av brandsläckare

För närvarande är brandsläckarna på marknaden huvudsakligen uppdelade i gasbrandsläckare, vattenbaserade brandsläckare, aerosolbrandsläckare och torrpulversläckare. Nedan följer en introduktion till koder och egenskaper för varje typ av brandsläckare.

Perfluorhexan: Perfluorhexan har listats i PFAS-inventeringen av OECD och US EPA. Därför bör användningen av perfluorhexan som brandsläckningsmedel följa lokala lagar och förordningar och kommunicera med miljömyndigheter. Eftersom produkterna av perfluorhexan vid termisk sönderdelning är växthusgaser, är det inte lämpligt för långvarig, kontinuerlig sprutning med stora doser. Det rekommenderas att använda det i kombination med ett vattenspraysystem.

Trifluormetan:Trifluormetanmedel tillverkas endast av ett fåtal tillverkare och det finns inga specifika nationella standarder som reglerar denna typ av brandsläckningsmedel. Underhållskostnaden är hög, så användningen rekommenderas inte.

Hexafluorpropan:Detta släckmedel är benäget att skada enheter eller utrustning under användning, och dess globala uppvärmningspotential (GWP) är relativt hög. Därför kan hexafluorpropan endast användas som övergångsbrandsläckningsmedel.

Heptafluorpropan:På grund av växthuseffekten begränsas den gradvis av olika länder och kommer att utplånas. För närvarande har heptafluorpropanmedel utgått, vilket kommer att leda till problem med att fylla på befintliga heptafluorpropansystem under underhåll. Därför rekommenderas inte dess användning.

Inert gas:Inklusive IG 01, IG 100, IG 55, IG 541, bland vilka IG 541 används mer och är internationellt erkänd som ett grönt och miljövänligt brandsläckningsmedel. Det har emellertid nackdelarna med höga konstruktionskostnader, hög efterfrågan på gasflaskor och stor utrymmesbeläggning.

Vattenbaserat medel:Fina vattendimma brandsläckare används i stor utsträckning, och de har den bästa kyleffekten. Detta beror främst på att vatten har en stor specifik värmekapacitet, som snabbt kan absorbera en stor mängd värme, kyler ned de oreagerade aktiva ämnena inuti batteriet och på så sätt hämmar ytterligare temperaturhöjning. Vatten orsakar dock betydande skador på batterier och är inte isolerande, vilket leder till batterikortslutning.

Aerosol:På grund av dess miljövänlighet, icke-toxicitet, låga kostnader och enkla underhåll har aerosol blivit det vanliga brandsläckningsmedlet. Den valda aerosolen bör dock följa FN-föreskrifter och lokala lagar och förordningar, och lokal nationell produktcertifiering krävs. Aerosoler saknar dock kylningsförmåga, och under appliceringen förblir batteritemperaturen relativt hög. Efter att brandsläckningsmedlet slutar släppa, är batteriet benäget att återantändas.

Brandsläckningsmedlens effektivitet

State Key Laboratory of Fire Science vid University of Science and Technology i Kina genomförde en studie som jämförde brandsläckningseffekterna av ABC-torrpulver, heptafluorpropan, vatten, perfluorhexan och CO2-brandsläckare på ett 38A litiumjonbatteri.

Jämförelse av brandsläckningsprocesser

ABC-torrpulver, heptafluorpropan, vatten och perfluorhexan kan alla snabbt släcka batteribränder utan återantändning. Men CO2-brandsläckare kan inte effektivt släcka batteribränder och kan orsaka återantändning.

Jämförelse av brandsläckningsresultat

Efter termisk runaway kan beteendet hos litiumbatterier under inverkan av brandsläckningsmedel grovt delas in i tre steg: kylningssteget, steget med snabb temperaturökning och steget med långsam temperaturnedgång.

Första etappenär kylningssteget, där temperaturen på batteriytan minskar efter att brandsläckningsmedlet släppts ut. Detta beror främst på två skäl:

• Batteriavluftning: Innan litiumjonbatterier försvinner termiskt, samlas en stor mängd alkaner och CO2-gas inuti batteriet. När batteriet når sin tryckgräns öppnas säkerhetsventilen och släpper ut högtrycksgas. Denna gas för ut de aktiva ämnena inuti batteriet samtidigt som den ger en viss kyleffekt till batteriet.
• Brandsläckningsmedlets effekt: Brandsläckningsmedlets kyleffekt kommer huvudsakligen från två delar: värmeabsorptionen vid fasbyte och den kemiska isoleringseffekten. Fasförändringsvärmeabsorption tar direkt bort värmen som genereras av batteriet, medan den kemiska isoleringseffekten indirekt minskar värmegenereringen genom att avbryta kemiska reaktioner. Vatten har den mest betydande kyleffekten på grund av sin höga specifika värmekapacitet, vilket gör att det snabbt kan absorbera en stor mängd värme. Perfluorhexan följer, medan HFC-227ea, CO2 och ABC-torrpulver inte uppvisar signifikanta kyleffekter, vilket är relaterat till brandsläckningsmedlens natur och mekanism.

Den andra etappen är det snabba temperaturstegringssteget, där batteritemperaturen snabbt stiger från sitt lägsta värde till sin topp. Eftersom brandsläckningsmedel inte helt kan stoppa nedbrytningsreaktionen inuti batteriet, och de flesta brandsläckare har dålig kyleffekt, visar batteriets temperatur en nästan vertikal uppåtgående trend för olika brandsläckare. På kort tid stiger batteriets temperatur till sin topp.

I detta skede finns det en betydande skillnad i effektiviteten hos olika brandsläckare för att förhindra ökningen av batteritemperaturen. Effektiviteten i fallande ordning är vatten > perfluorhexan > HFC-227ea > ABC torrt pulver > CO2. När batteritemperaturen stiger långsamt ger det längre svarstid för batteribrandvarning och mer reaktionstid för operatörer.

Slutsats

1. CO2: Brandsläckningsmedel som CO2, som främst verkar genom kvävning och isolering, har dåliga hämmande effekter på batteribränder. I denna studie inträffade allvarliga återantändningsfenomen med CO2, vilket gör den olämplig för litiumbatteribränder.
2. ABC Dry Powder / HFC-227ea: ABC torrt pulver och HFC-227ea brandsläckningsmedel, som främst verkar genom isolering och kemisk undertryckning, kan delvis hämma kedjereaktionerna inuti batteriet i viss utsträckning. De har en något bättre effekt än CO2, men eftersom de saknar kyleffekter och inte helt kan blockera interna reaktioner i batteriet, stiger temperaturen på batteriet ändå snabbt efter att brandsläckningsmedlet släppts ut.
3. Perfluorohexan: Perfluorohexan blockerar inte bara interna batterireaktioner utan absorberar också värme genom förångning. Därför är dess hämmande effekt på batteribränder betydligt bättre än andra brandsläckare.
4. Vatten: Bland alla brandsläckare har vatten den mest uppenbara brandsläckningseffekten. Detta beror främst på att vatten har en stor specifik värmekapacitet, vilket gör att det snabbt kan absorbera en stor mängd värme. Detta kyler ner de oreagerade aktiva substanserna inuti batteriet och förhindrar därmed ytterligare temperaturhöjning. Vatten orsakar dock betydande skador på batterier och har ingen isoleringseffekt, så användningen bör vara extremt försiktig.

Vad ska vi välja?

Vi har undersökt de brandskyddssystem som används av flera tillverkare av energilagringssystem på marknaden, främst med följande brandsläckningslösningar:

• Perfluorhexan + vatten
• Aerosol + vatten

Det kan man sesynergistiska brandsläckningsmedel är den vanliga trenden för tillverkare av litiumbatterier. Med Perfluorohexan + Vatten som ett exempel kan Perfluorohexan snabbt släcka öppna lågor, vilket underlättar kontakten av fin vattendimma med batteriet, medan fin vattendimma effektivt kan kyla ner det. Samarbete har bättre brandsläcknings- och kyleffekter jämfört med att använda ett enda brandsläckningsmedel. För närvarande kräver EU:s nya batteriförordning att framtida batterietiketter ska innehålla tillgängliga brandsläckningsmedel. Tillverkare måste också välja lämpligt brandsläckningsmedel baserat på deras produkter, lokala föreskrifter och effektivitet.