Почему сложно потушить возгорание тяговой литий-ионной батареи

Возгорания тяговых литий-ионных батарей случаются не так уж часто, но потушить их обычно сложно. Чем выше заряд и плотность энергии в ячейках, тем опаснее пожар. Например, для тушения пожара электромобиля с литиевым аккумулятором может потребоваться 10-50 тонн холодной воды, а также специальный огнетушащий аэрозоль из вермикулита. Давайте рассмотрим, почему возникают трудности с тушением.

Основные проблемы

При борьбе с возгораниями литий-ионных батарей ученые сталкиваются со следующими проблемами:
  • Цепная реакция теплового разгона в аккумуляторном элементе возникает по многим причинам: из-за перезарядки, жаркой среды, производственных дефектов, повреждений.
  • Литий-ионная батарея может состоять из десятков или сотен ячеек. Перегрев и возгорание одной ячейки вызывает перегрев и возгорание соседних.
  • Клапаны сброса давления, термостойкие сепараторы, системы терморегуляции и другие средства защиты не всегда эффективны. Например, защитные клапаны часто не справляются с резким ростом внутреннего давления из-за экстремально быстрого образования газов.
  • Многие химические составы литий-ионных батарей вызывают реакции с образованием кислорода, что усиливает горение. Именно поэтому пожары тяговых аккумуляторов так трудно потушить несмотря на гораздо меньшую энергетическую плотность, чем у бензина.
  • Постоянно появляются новые химсоставы, добавки, которые улучшают характеристики литиевых аккумуляторов, но плохо изучены с точки зрения пожарной опасности. Каждое новое химическое вещество вносит изменения в протекающие химические реакции. В итоге затруднительно распутать все химические реакции.
график теплового разгона разных типов литий-ионных аккумуляторов

Как происходит тепловой разгон

Возгорание литий-ионной батареи начинается в одном элементе в результате химического процесса, называемого тепловым разгоном. В каждом элементе находятся анод и катод. Первый высвобождает электроны, второй поглощает. Анод и катод разделены электроизолирующим слоем (сепаратором), который не пропускает только ионы лития, а для электронов создан внешний путь. Электроны покидают аккумулятор по внешнему пути, совершают определенную работу, а затем снова возвращаются. Если бы сепаратора не было, то между анодом и катодом возникала бы искра короткого замыкания.
схема разряда литий-ионного аккумулятора
Теперь предположим, что одна ячейка в литий-ионной батарее по какой-то причине начинает перегреваться. Когда температура достигает примерно 130-150°С, полимерный сепаратор плавится и возникает искра короткого замыкания. В результате нагрева жидкий электролит может разлагаться и переходить в газообразную форму. В литий-ионных элементах также находятся оксиды металлов, которые при нагревании выделяют кислород. Кислород, в свою очередь, способствует реакциям горения. В итоге содержащиеся в аккумуляторе жидкости и газы могут загореться, что приводит к еще большему выделению тепла и газов. Всё, пожар начался.
Последовательность теплового разгона li-ion аккумулятора

Внезапность теплового выброса

Если посмотреть на график теплового разгона литий-ионной батареи, то можно увидеть зависимость роста температуры от времени. Сначала процесс происходит медленно, а затем резко наступает огромный выброс энергии, и температура поднимается до пика примерно за секунду. В какой-то момент, при нагревании всего на 10% скорость реакции повышается в 350 и более раз, что вызывает резкий скачок температуры. Экспоненциальное увеличение скорости реакции значительно превышает линейное увеличение теплоотдачи. Температура литий-ионного аккумулятора с 200°С может сразу подскочить до 1000°С и выше. Результат такого скачка температуры печален. Вот почему для тушения крупных тяговых литиевых батарей приходится использовать тонны холодной воды, только они способны охладить такой пыл.
график теплового разгона li-ion аккумуляторов

Очевидные решения не всегда решают проблему

Большинство проблем разработчики литий-ионных аккумуляторов решают простым прямым путем, например:
  • Температура при зарядке растет? – Установим термодатчики, контроллеры, систему охлаждения. Контроллеры будут отслеживать температуру ячеек и отключать литий-ионную батарею или включать активное охлаждение, когда ячейки становятся слишком горячими.
  • Сепараторы плавятся? – Разработаем более термостойкий сепаратор.
  • Аккумуляторные элементы взрываются из-за высокого давления? – Встроим в них клапан сброса давления.
  • При перегреве выделяется слишком много кислорода? – Найдем активный материал катода, который при нагревании выделяет меньше кислорода.
Конечно, такие технические решения работают, они повышают защиту, но не гарантируют отсутствие пожаров. Почему? Вероятно, потому, что большинство из этих решений не требуют полного знания всех химических реакций, происходящих при тепловом разгоне.
возгорание li-ion аккумулятора
Например, аккумуляторный элемент с клапаном сброса давления все равно может взорваться. Эксперименты показали одну из возможных последовательностей такого события:
  • скопившийся в аккумуляторном элементе газ давит на внутренние компоненты;
  • рост давления приводит к срабатыванию клапана сброса давления;
  • из-за давления газа внутренние компоненты смещаются к клапану и перекрывают его;
  • газам некуда выходить, их становится всё больше, и они всё горячее;
  • давление газов разрывает корпус аккумуляторного элемента.
Таким образом, разработчикам литиевых аккумуляторов предстоит ещё много работать над конструкцией ячеек, системами защиты.

Заключение

Разнообразие аккумуляторных элементов с разным химическим составом осложняет изучение химических реакций, происходящих при тепловом разгоне. Разные типы литий-ионных батарей могут требовать разных подходов к предотвращению и тушению связанных с ними пожаров.
Материалы сайта не подлежат использованию кем-либо, в какой бы-то ни было форме, включая воспроизведение, распространение, переработку, не иначе как с письменного разрешения редакции Forklift.Blog.
Автор статьи: Энергинский К.А.
Специалист по аккумуляторной технологии
Автор-эксперт в области литий-ионных аккумуляторов

Опубликовано: 22 января 2023
  • Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.


Материалы сайта не подлежат использованию кем-либо, в какой бы-то ни было форме, включая воспроизведение, распространение, переработку, не иначе как с письменного разрешения редакции Forklift.Blog.

При согласованном использовании материалов необходима ссылка на https://www.forklift.blog/.

Использование материалов сайта без разрешения его владельца является нарушением авторских прав и преследуется по закону.


Все размещенные на нашем сайте ссылки предоставлены исключительно в информационных целях. Мы не осуществляем рекламную деятельность и не преследуем коммерческие интересы. Наша цель — обеспечить посетителям доступ к дополнительной информации, расширяя их знания на темы, затронутые нашим ресурсом.