De veiligheid van lithiumbatterijen is altijd een punt van zorg geweest in de industrie. Vanwege hun speciale materiaalstructuur en complexe werkomgeving zal een brandongeval, zodra zich dit voordoet, schade aan apparatuur, verlies van eigendommen en zelfs slachtoffers veroorzaken. Nadat een lithiumbatterijbrand heeft plaatsgevonden, is de verwijdering moeilijk, duurt lang en gaat vaak gepaard met de vorming van een grote hoeveelheid giftige gassen. Daarom kan een tijdige brandblussing de verspreiding van de brand effectief beheersen, uitgebreide verbranding voorkomen en het personeel meer tijd geven om te ontsnappen.

Tijdens het thermische op hol geslagen proces van lithium-ionbatterijen treden vaak rook, brand en zelfs explosies op. Daarom is het beheersen van het thermische runaway- en diffusieprobleem de belangrijkste uitdaging geworden waarmee lithiumbatterijproducten tijdens het gebruik worden geconfronteerd. Het kiezen van de juiste brandblustechnologie kan de verdere verspreiding van thermische overstroming door batterijen voorkomen, wat van groot belang is voor het onderdrukken van brand.

In dit artikel worden de reguliere brandblussers en blusmechanismen geïntroduceerd die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn, en worden de voor- en nadelen van verschillende soorten brandblussers geanalyseerd.

Soorten brandblussers

Momenteel zijn de brandblussers op de markt voornamelijk onderverdeeld in gasbrandblussers, brandblussers op waterbasis, spuitbusbrandblussers en droogpoederbrandblussers. Hieronder vindt u een inleiding tot de codes en kenmerken van elk type brandblusser.

Perfluorhexaan: Perfluorhexaan is opgenomen in de PFAS-inventaris van de OESO en de Amerikaanse EPA. Daarom moet het gebruik van perfluorhexaan als brandblusmiddel voldoen aan de lokale wet- en regelgeving en communiceren met regelgevende instanties op milieugebied. Omdat de producten van perfluorhexaan bij thermische ontleding broeikasgassen zijn, is het niet geschikt voor langdurig, continu spuiten met grote doses. Het wordt aanbevolen om het te gebruiken in combinatie met een watersproeisysteem.

Trifluormethaan:Trifluormethaanmiddelen worden slechts door een paar fabrikanten geproduceerd en er zijn geen specifieke nationale normen die dit type brandblusmiddel reguleren. De onderhoudskosten zijn hoog, dus het gebruik ervan wordt niet aanbevolen.

Hexafluorpropaan:Dit blusmiddel is gevoelig voor schade aan apparaten of apparatuur tijdens gebruik, en het aardopwarmingspotentieel (GWP) is relatief hoog. Daarom kan hexafluorpropaan alleen worden gebruikt als tijdelijk brandblusmiddel.

Heptafluorpropaan:Als gevolg van het broeikaseffect wordt de ziekte door verschillende landen geleidelijk aan ingeperkt en dreigt te worden geëlimineerd. Momenteel zijn heptafluorpropaanmiddelen stopgezet, wat zal leiden tot problemen bij het bijvullen van bestaande heptafluorpropaansystemen tijdens onderhoud. Daarom wordt het gebruik ervan niet aanbevolen.

Inert gas:Waaronder IG 01, IG 100, IG 55, IG 541, waaronder IG 541 op grotere schaal wordt gebruikt en internationaal wordt erkend als een groen en milieuvriendelijk brandblusmiddel. Het heeft echter de nadelen van hoge constructiekosten, een grote vraag naar gasflessen en een groot ruimtebeslag.

Middel op waterbasis:Fijne watermistbrandblussers worden veel gebruikt en hebben het beste koeleffect. Dit komt vooral omdat water een grote specifieke warmtecapaciteit heeft, die snel een grote hoeveelheid warmte kan absorberen, waardoor de niet-gereageerde actieve stoffen in de batterij worden afgekoeld en zo verdere temperatuurstijging wordt tegengegaan. Water veroorzaakt echter aanzienlijke schade aan de batterijen en is niet isolerend, waardoor kortsluiting in de batterij kan ontstaan.

Aërosol:Vanwege de milieuvriendelijkheid, niet-toxiciteit, lage kosten en eenvoudig onderhoud is aerosol het reguliere brandblusmiddel geworden. De geselecteerde aerosol moet echter voldoen aan de VN-regelgeving en lokale wet- en regelgeving, en lokale nationale productcertificering is vereist. Spuitbussen hebben echter geen koelvermogen en tijdens het gebruik ervan blijft de batterijtemperatuur relatief hoog. Nadat het brandblusmiddel niet meer vrijkomt, is de batterij vatbaar voor hernieuwing.

Effectiviteit van brandblusmiddelen

Het State Key Laboratory of Fire Science van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China heeft een onderzoek uitgevoerd waarin de brandbluseffecten van droog ABC-poeder, heptafluorpropaan, water, perfluorhexaan en CO2-brandblusmiddelen op een 38A lithium-ionbatterij werden vergeleken.

Vergelijking van brandblusprocessen

ABC-droogpoeder, heptafluorpropaan, water en perfluorhexaan kunnen allemaal batterijbranden snel blussen zonder opnieuw te ontbranden. CO2-brandblussers kunnen batterijbranden echter niet effectief blussen en kunnen herontbranding veroorzaken.

Vergelijking van brandblusresultaten

Na een thermische runaway kan het gedrag van lithiumbatterijen onder invloed van brandblusmiddelen grofweg in drie fasen worden verdeeld: de afkoelfase, de fase van snelle temperatuurstijging en de fase van langzame temperatuurdaling.

De eerste faseis de afkoelfase, waarbij de temperatuur van het batterijoppervlak afneemt nadat het brandblusmiddel is vrijgegeven. Dit komt voornamelijk door twee redenen:

• Ontluchten van de batterij: Voordat lithium-ionbatterijen oververhit raken, hoopt zich een grote hoeveelheid alkanen en CO2-gas op in de batterij. Wanneer de batterij de druklimiet bereikt, gaat de veiligheidsklep open, waardoor gas onder hoge druk vrijkomt. Dit gas transporteert de actieve stoffen in de batterij en zorgt tegelijkertijd voor een verkoelend effect op de batterij.
• Effect van het brandblusmiddel: Het koeleffect van het brandblusmiddel komt hoofdzakelijk uit twee delen: de warmteabsorptie tijdens faseverandering en het chemische isolatie-effect. Door de faseveranderingswarmte-absorptie wordt de door de batterij gegenereerde warmte direct verwijderd, terwijl het chemische isolatie-effect indirect de warmteontwikkeling vermindert door chemische reacties te onderbreken. Water heeft het belangrijkste koeleffect vanwege zijn hoge soortelijke warmtecapaciteit, waardoor het snel een grote hoeveelheid warmte kan opnemen. Perfluorhexaan volgt, terwijl HFC-227ea, CO2 en ABC-droogpoeder geen significante koeleffecten vertonen, wat verband houdt met de aard en het mechanisme van de brandblusmiddelen.

De tweede fase is de fase van snelle temperatuurstijging, waarbij de batterijtemperatuur snel stijgt van de minimumwaarde naar de piek. Omdat brandblusmiddelen de ontledingsreactie in de batterij niet volledig kunnen stoppen en de meeste brandblusmiddelen een slecht koelend effect hebben, vertoont de temperatuur van de batterij voor verschillende brandblusmiddelen een bijna verticale opwaartse trend. In korte tijd stijgt de temperatuur van de batterij naar zijn hoogtepunt.

In deze fase is er een aanzienlijk verschil in de effectiviteit van verschillende brandblusmiddelen bij het remmen van de stijging van de batterijtemperatuur. De effectiviteit in afnemende volgorde is water > perfluorhexaan > HFC-227ea > ABC droog poeder > CO2. Wanneer de batterijtemperatuur langzaam stijgt, biedt dit een langere responstijd bij waarschuwingen voor batterijbrand en meer reactietijd voor operators.

Conclusie

1. CO2: Brandblusmiddelen zoals CO2, die voornamelijk door verstikking en isolatie werken, hebben een slecht remmend effect op batterijbranden. In dit onderzoek deden zich bij CO2 ernstige herontbrandingsverschijnselen voor, waardoor het ongeschikt werd voor lithiumbatterijbranden.
2. ABC-droogpoeder / HFC-227ea: ABC-droogpoeder en HFC-227ea-brandblusmiddelen, die voornamelijk werken door middel van isolatie en chemische onderdrukking, kunnen de kettingreacties in de batterij tot op zekere hoogte gedeeltelijk remmen. Ze hebben een iets betere werking dan CO2, maar omdat ze geen koelend effect hebben en interne reacties in de batterij niet volledig kunnen blokkeren, stijgt de temperatuur van de batterij nog steeds snel nadat het brandblusmiddel vrijkomt.
3. Perfluorhexaan: Perfluorhexaan blokkeert niet alleen interne batterijreacties, maar absorbeert ook warmte door verdamping. Daarom is het remmende effect op batterijbranden aanzienlijk beter dan dat van andere brandblusmiddelen.
4. Water: Van alle brandblusmiddelen heeft water het meest voor de hand liggende brandbluseffect. Dit komt vooral doordat water een grote specifieke warmtecapaciteit heeft, waardoor het snel een grote hoeveelheid warmte kan opnemen. Hierdoor worden de niet-gereageerde actieve stoffen in de batterij afgekoeld, waardoor verdere temperatuurstijging wordt tegengegaan. Water veroorzaakt echter aanzienlijke schade aan de batterijen en heeft geen isolerend effect, dus het gebruik ervan moet uiterst voorzichtig zijn.

Wat moeten we kiezen?

We hebben de brandbeveiligingssystemen onderzocht die worden gebruikt door verschillende fabrikanten van energieopslagsystemen die momenteel op de markt zijn, waarbij we voornamelijk gebruik maken van de volgende brandblusoplossingen:

• Perfluorhexaan + water
• Spuitbus + Water

Dat is te ziensynergetische brandblusmiddelen zijn de mainstream trend voor fabrikanten van lithiumbatterijen. Als we perfluorhexaan + water als voorbeeld nemen, kan perfluorhexaan open vuur snel doven, waardoor het contact van fijne watermist met de batterij wordt vergemakkelijkt, terwijl fijne watermist deze effectief kan afkoelen. Coöperatief gebruik heeft betere brandblus- en koeleffecten vergeleken met het gebruik van één enkel blusmiddel. Momenteel vereist de nieuwe batterijverordening van de EU dat toekomstige batterijlabels de beschikbare brandblusmiddelen vermelden. Fabrikanten moeten ook het juiste brandblusmiddel kiezen op basis van hun producten, lokale regelgeving en effectiviteit.