Skąd wynika popularność baterii Li-Ion? Zastosowania i zalety
Obecnie miliony konsumentów i przedsiębiorców korzysta z tej metody magazynowania energii. Technologia, która do powszechnego obiegu użytkowego weszła w latach 90. XX wieku, swą efektywnością w błyskawicznym tempie przyćmiła starsze technologie baterii niklowo-kadmowych czy kwasowo-ołowiowych. Na bateriach Li-Ion pracują smartfony laptopy, hulajnogi, samochody i autobusy elektryczne. Duże bazy akumulatorów Li-Ion wspierają sektor morski, wojskowy, przemysł lotniczy, energetyczny, transportowy, informatyczny. Zapewniają dużą gęstość mocy i ogromne możliwości magazynowania energii przy niskim poziomie samorozładowania i niewielkiej wadze. Cenimy je za długą żywotność, co sprawia, że są idealne do cyklicznego użytkowania.
Zagrożenie pożarem w bateriach Li-Ion – skąd wynika ryzyko?
Mimo stałej optymalizacji konstrukcji i technologii, przy tak dużej skali zastosowań awarie są nieuniknione, a pożary baterii litowo-jonowych, choć rzadkie, są najczęściej fatalne w skutkach. Popularne medialnie doniesienia o płonących telefonach czy rowerach elektrycznych przyciągają uwagę i wzbudzają niepokój konsumentów, ale też naświetlają temat w szerszej perspektywie. Czym gasić baterie litowo-jonowe nie tylko w pojedynczych urządzeniach, ale w całych bankach akumulatorów? Opisując zagrożenia pożarowe związane z bateriami litowo-jonowymi i sposoby ich neutralizacji, pod pojęciem gaszenia rozumiemy tutaj metody tłumienia i kontrolowania pożaru.
fot. SUPO Cerber
Dlaczego ogniwa płoną?
Budowa
Aby odpowiedzieć na to pytanie, scharakteryzujmy w skrócie budowę ogniwa. Każde ogniwo Li-Ion składa się z dwóch elektrod (katoda i anoda), oddzielającego je separatora wykonanego z tworzywa, który zapobiega zwarciu elektrod, ale umożliwia transfer jonów oraz łatwopalnego organicznego elektrolitu, który aktywuje ruch jonów między elektrodami, co prowadzi do wytwarzania energii elektrycznej.
Na czym polega trudność kontrolowania pożaru baterii li-ion?
Gdy wewnątrz układu z jakiegoś powodu wzrośnie temperatura, komponenty zaczynają generować dodatkowe ciepło, które rośnie i wyzwala reakcję łańcuchową aż do ryzyka pożaru. Ta niestabilność termiczna powoduje dekompozycję elementów ogniwa i rozszczelnienie, które może skutkować także wydobyciem gazów, które mogą ulec zapłonowi.
Wyzwanie – stałe chłodzenie ogniw
Niekontrolowana reakcja termiczna sprawia, że o ile sam pożar można ugasić dość szybko, reaktywność litu powoduje, że ogniwo baterii samo dostarcza tlenu, by wzbudzić pożar ponownie. Istotne jest zatem stałe chłodzenie ogniw. Trudność gaszenia baterii litowo-jonowych polega również na tym, że jedna usterka w jednym ogniwie może powodować kaskadowy wzrost zagrożenia na cały system akumulatorów.
Przyczyny niestabilności termicznej
Co może powodować takie procesy? Wymieńmy najczęściej występujące sytuacje mogące wywołać pożar baterii litowo-jonowych w urządzeniach.
• Przeładowanie lub niedoładowanie akumulatorów może przerwać separator.
• Przegrzanie modułu sprawia, że cała chemiczna równowaga wewnątrz ogniwa ulega dekompozycji, powodując nagrzanie elektrolitu.
• Uszkodzenie mechaniczne w procesie instalacji akumulatora czy wypadku drogowego pojazdu elektrycznego zachwieje równowagą elektrod i spowoduje wzrost temperatury elektrolitu lub nawet bezpośredni wybuch ogniwa.
• Wada fabryczna separatora sprawia, że elektrody i elektrolit wchodzą w bezpośredni kontakt, powodując zwarcie.
Przykłady zgłoszonych pożarów baterii Li-ion
Przykłady zebrane w artykule A Review of Lithium-Ion Battery Fire Suppression* wypunktowują kilka kategorii powtarzalnych wypadków, związanych z powyższymi przyczynami niestabilności termicznej:
• zwarcia (w autobusie elektrycznym po deszczu, rower elektryczny w czasie postoju),
• przegrzania (e-papieros w luku bagażowym, samochody elektryczne w salonach),
• defekty fabryczne (usterka ogniw w serii smartfonów),
• uszkodzenia w trakcie użytkowania (auta elektryczne po wypadkach).
Czym gasić baterie litowo-jonowe? Woda i system mgłowy
Liczne badanie cytowane przez autorów przywołanego wyżej artykułu oraz doświadczenie firmy oferującej usługi ppoż. SUPO Cerber wskazuje, że woda, szczególnie w postaci innowacyjnej instalacji mgłowej niskociśnieniowej FOG, jest najskuteczniejszym czynnikiem gaśniczym do kontrolowania pożaru baterii litowo-jonowych. Nie tylko bowiem tłumi ogień, ale zapewnia ciągły proces chłodzenia urządzeń, dzięki czemu niweluje ryzyko ponownego zapłonu baterii Li-Ion wskutek wysokiej temperatury wewnątrz ogniwa.
fot. SUPO Cerber
Standardowe technologie ppoż. bazujące na wodzie, czyli systemy tryskaczowe i zraszaczowe są mniej efektywne i mniej korzystne ekonomicznie w eksploatacji niż systemy mgłowe niskociśnieniowe. O skuteczności gaszenia baterii Li-Ion decyduje bowiem nie tyle ilość wylanej wody, co powierzchnia styku cieczy ze strefą spalania, co wpływa na efektywniejsze chłodzenie.
Instalacja mgłowa niskociśnieniowa FOG SUPO Cerber
Dostarczany przez firmę SUPO Cerber Sp. z o.o. certyfikowany system niskociśnieniowej mgły wodnej FOG, wykorzystuje jako czynnik gaśniczy wodę, rozpraszając jej strumień do tysiąca malutkich kropelek. Nie tylko wykrywa, ale i pozwala tłumić pożar mgłą wodną wewnątrz i na zewnątrz obiektów. Uniemożliwia także rozprzestrzenianie się pożaru. Mikroskopijne krople o średnicy od 50 do 300 mikrometrów absorbują duże ilości energii ze spalania, chłodzą, zmniejszają poziom promieniowania cieplnego oraz minimalizują ilość tlenu w strefie pożarowej. Odpowiedni dla danego zagrożenia system mgłowy ustala się na podstawie obliczeń hydraulicznych, Kluczowe jest dobranie właściwej do danych warunków wielkości kropli, kąta nachylenia i rozpylenia stożka strugi wody generowanej przez dyszę mgłową oraz prędkości strumienia mgły wodnej.
Budowa systemu FOG SUPO Cerber
Z jakich zespołów składa się instalacja mgłowa FOG SUPO Cerber, którą można z powodzeniem zastosować do gaszenia pożarów baterii litowo-jonowych?
fot. SUPO Cerber
Dysze mgłowe
Ich zadaniem jest uwalnianie i rozpylanie czynnika gaśniczego. Wyróżniamy kilka rodzajów dysz mgłowych, w tym: strumieniowo-wirowa DML do zastosowań wewnątrz pomieszczeń; spiralna, uderzeniowa dysza mgłowa DMS z dużą energią kinetyczną wypływu, otwarte głowice GMO, zamknięte głowice GMZ z 6 mikrodyszami rozłożonymi po obwodzie stożka.
Instalacje rurowe
Elementy rozprowadzające czynnik gaśniczy. Najczęściej są to rury ocynkowane, ze stali nierdzewnej lub miedziane z zaworem sekcyjnym sterowanym pneumatycznie.
Zapasowy zbiornik wodny
Zbiornik to kluczowy element zabezpieczający dostęp do czynnika gaśniczego, dostarczany wraz z systemem monitorowania stanu zbiornika, pompą spalinową lub elektryczną, zaworami oraz filtrami wodnymi.
Zalety systemu mgłowego do gaszenia pożaru baterii Li-Ion
• Rozproszony strumień wody w postaci kropel zapewnia efektywniejsze i dłuższe chłodzenie ogniw, co zapobiega ponownemu zapłonowi.
• Szeroki kąt rozpylenia wody i duży zasięg strugi, dzięki odpowiednio dobranej wielkości kropel i prędkości ich opadania.
• Mniejsze o ok. 70% (w porównaniu ze standardowymi technologiami) zużycie wody, dzięki małej średnicy kropel.
• Efektywne wyparcie tlenu ze strefy spalania i zmniejszenie jego stężenie o ok. 15% na skutek odparowania kropel wody i powstania pary wodnej. Jednocześnie taki poziom stężenia pozwala wydłużyć czas ewakuacji osób przebywających w strefie pożarowej.
• Gaszenie baterii litowo-jonowych systemem mgły wodnej znacznie redukuje ilość produktów spalania.
• Ograniczenie ryzyka zadymienia, dzięki osiadaniu gazów pod wpływem absorpcji przez krople stałych cząstek zawartych w dymie.
• Małe wymagania objętościowe przy montażu wszystkich elementów instalacji, co pozwala wykorzystać system mgłowy w obiektach o ograniczonej powierzchni.
System mgłowy rekomendowany przez ekspertów
Czym gasić baterie litowo-jonowe? Cytowane badania ekspertów i doświadczenie inżynierów ppoż. wskazują, że wodą, a zwłaszcza wykorzystując instalację systemów mgłowych. Sama konstrukcja i specyfikacja tego typu instalacji sprawia, że skutecznie odpowiada on na podstawowe trudności związane z kontrolą pożaru baterii Li-Ion (tłumienie pożaru, stałe chłodzenie dużej powierzchni, wyparcie tlenu). Ponadto możliwość precyzyjnego doboru rodzajów dyszy, średnicy rur, mocy pomp i pojemności zbiorników do potrzeb danego obiektu sprawiają, że skuteczność tej technologii jest większa niż standardowych rozwiązań opartych o działanie wody oraz innych technologii (gazowe, pianowe, aerozolowe).
fot. SUPO Cerber
Szczegółowa charakterystyka systemu mgłowego firmy SUPO Cerber dostępna jest na stronie producenta www.supo.com.pl.
* Ghiji Mohammadmahdi, Novozhilov Vasily, Moinuddin Khalid, Joseph Paul, Burch Ian, Suendermann Brigitta, Gamble Grant, Energies 2020/13/5117, MDPI, Basel, Switzerland.
