ایمنی باتری های لیتیومی همیشه یکی از دغدغه های صنعت بوده است. با توجه به ساختار مواد خاص و محیط عملیاتی پیچیده، هنگامی که یک حادثه آتش سوزی رخ می دهد، باعث آسیب به تجهیزات، تلفات مالی و حتی تلفات می شود. پس از آتش سوزی باتری لیتیومی، دفع آن دشوار است، زمان زیادی می برد و اغلب شامل تولید مقدار زیادی گازهای سمی می شود. بنابراین، اطفای به موقع آتش می تواند به طور موثری گسترش آتش را کنترل کند، از سوختن گسترده جلوگیری کند و زمان بیشتری را برای فرار پرسنل فراهم کند.

در طول فرآیند فرار حرارتی باتری های لیتیوم یون، دود، آتش و حتی انفجار اغلب رخ می دهد. بنابراین، کنترل مشکل فرار حرارتی و انتشار به چالش اصلی محصولات باتری لیتیومی در فرآیند استفاده تبدیل شده است. انتخاب فناوری اطفاء حریق مناسب می تواند از گسترش بیشتر فرار حرارتی باتری جلوگیری کند که برای سرکوب وقوع آتش سوزی اهمیت زیادی دارد.

این مقاله به معرفی کپسول های آتش نشانی اصلی و مکانیسم های اطفای حریق در حال حاضر موجود در بازار می پردازد و مزایا و معایب انواع مختلف کپسول های آتش نشانی را تحلیل می کند.

انواع کپسول آتش نشانی

در حال حاضر کپسول های آتش نشانی موجود در بازار به طور عمده به کپسول آتش نشانی گازی، کپسول آتش نشانی مبتنی بر آب، کپسول آتش نشانی آئروسل و کپسول آتش نشانی پودر خشک تقسیم می شوند. در زیر به معرفی کدها و ویژگی های هر یک از انواع کپسول های آتش نشانی می پردازیم.

پرفلوروهگزان: پرفلوروهگزان در فهرست PFAS OECD و EPA ایالات متحده فهرست شده است. بنابراین، استفاده از پرفلورو هگزان به عنوان یک عامل اطفاء حریق باید با قوانین و مقررات محلی مطابقت داشته باشد و با آژانس های نظارتی محیط زیست در ارتباط باشد. از آنجایی که محصولات پرفلوروهگزان در تجزیه حرارتی گازهای گلخانه ای هستند، برای سمپاشی طولانی مدت، با دوز زیاد و مداوم مناسب نیست. استفاده از آن در ترکیب با سیستم اسپری آب توصیه می شود.

تری فلورومتان:عوامل تری فلورومتان تنها توسط چند تولید کننده تولید می شوند و هیچ استاندارد ملی خاصی برای تنظیم این نوع مواد اطفاء حریق وجود ندارد. هزینه نگهداری بالا است، بنابراین استفاده از آن توصیه نمی شود.

هگزافلوئوروپروپان:این ماده خاموش کننده مستعد آسیب رساندن به دستگاه ها یا تجهیزات در حین استفاده است و پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) آن نسبتاً زیاد است. بنابراین، هگزافلوئوروپروپان تنها می تواند به عنوان یک عامل اطفاء حریق انتقالی استفاده شود.

هپتافلوئوروپروپان:با توجه به اثر گلخانه ای به تدریج توسط کشورهای مختلف محدود شده و با حذف مواجه خواهد شد. در حال حاضر، عوامل هپتا فلوئوروپروپان متوقف شده است، که منجر به مشکلاتی در پر کردن مجدد سیستم های هپتا فلوئوروپروپان موجود در طول تعمیر و نگهداری خواهد شد. بنابراین استفاده از آن توصیه نمی شود.

گاز بی اثر:از جمله IG 01، IG 100، IG 55، IG 541 که در میان آنها IG 541 کاربرد بیشتری دارد و در سطح بین المللی به عنوان یک عامل اطفاء حریق سبز و دوستدار محیط زیست شناخته شده است. با این حال، دارای معایب هزینه ساخت بالا، تقاضای زیاد برای سیلندرهای گاز و اشغال فضای زیاد است.

عامل مبتنی بر آب:کپسول های آتش نشانی ریز مه آب بسیار مورد استفاده قرار می گیرند و بهترین اثر خنک کننده را دارند. این عمدتا به این دلیل است که آب ظرفیت گرمایی ویژه زیادی دارد که می تواند به سرعت مقدار زیادی گرما را جذب کند، مواد فعال واکنش نداده داخل باتری را خنک کند و در نتیجه از افزایش بیشتر دما جلوگیری کند. با این حال، آب آسیب قابل توجهی به باتری ها وارد می کند و عایق نیست و منجر به اتصال کوتاه باتری می شود.

آئروسل:به دلیل سازگاری با محیط زیست، غیر سمی بودن، هزینه کم و نگهداری آسان، آئروسل به عامل اصلی خاموش کننده آتش تبدیل شده است. با این حال، آئروسل انتخاب شده باید با مقررات سازمان ملل متحد و قوانین و مقررات محلی مطابقت داشته باشد و گواهی محصول ملی محلی مورد نیاز است. با این حال، آئروسل‌ها فاقد قابلیت خنک‌کنندگی هستند و در طول کاربردشان، دمای باتری نسبتاً بالا باقی می‌ماند. پس از متوقف شدن رها شدن ماده اطفاء حریق، باتری مستعد احتراق مجدد است.

کارایی کپسول های آتش نشانی

آزمایشگاه کلید ایالتی علوم آتش نشانی در دانشگاه علم و صنعت چین، مطالعه ای را انجام داد که در آن اثرات خاموش کننده آتش پودر خشک ABC، هپتافلوئوروپروپان، آب، پرفلوروهگزان و CO2 را بر روی یک باتری لیتیوم یونی 38A مقایسه کرد.

مقایسه فرآیند اطفاء حریق

پودر خشک ABC، هپتا فلوئوروپروپان، آب و پرفلوروهگزان همگی می توانند آتش باتری را بدون احتراق مجدد به سرعت خاموش کنند. با این حال، کپسول های آتش نشانی CO2 نمی توانند آتش باتری ها را به طور موثر خاموش کنند و ممکن است باعث احتراق مجدد شوند.

مقایسه نتایج اطفاء حریق

پس از فرار حرارتی، رفتار باتری های لیتیومی تحت عمل خاموش کننده های آتش را می توان تقریباً به سه مرحله تقسیم کرد: مرحله خنک کننده، مرحله افزایش سریع دما و مرحله کاهش آهسته دما.

مرحله اولمرحله خنک کننده است که در آن دمای سطح باتری پس از رها شدن کپسول آتش نشانی کاهش می یابد. این عمدتا به دو دلیل است:

• تهویه باتری: قبل از فرار حرارتی باتری های لیتیوم یونی، مقدار زیادی آلکان و گاز CO2 در داخل باتری جمع می شود. هنگامی که باتری به حد مجاز فشار خود می رسد، دریچه ایمنی باز می شود و گاز پرفشار آزاد می شود. این گاز مواد فعال داخل باتری را انجام می دهد و در عین حال خاصیت خنک کنندگی باتری را نیز ایجاد می کند.
• اثر خاموش کننده آتش: اثر خنک کننده آتش نشانی عمدتاً از دو بخش ناشی می شود: جذب گرما در طول تغییر فاز و اثر جداسازی شیمیایی. جذب حرارت تغییر فاز به طور مستقیم گرمای تولید شده توسط باتری را حذف می کند، در حالی که اثر جداسازی شیمیایی به طور غیرمستقیم تولید گرما را با قطع واکنش های شیمیایی کاهش می دهد. آب به دلیل ظرفیت گرمایی ویژه بالای آن، مهمترین اثر خنک کنندگی را دارد و به آن اجازه می دهد تا مقدار زیادی گرما را به سرعت جذب کند. پرفلوئورو هگزان به دنبال دارد، در حالی که HFC-227ea، CO2 و پودر خشک ABC اثرات خنک کنندگی قابل توجهی را نشان نمی دهند، که به ماهیت و مکانیسم خاموش کننده های آتش مربوط می شود.

مرحله دوم مرحله افزایش سریع دما است که در آن دمای باتری به سرعت از حداقل مقدار خود به اوج خود می رسد. از آنجایی که کپسول های آتش نشانی نمی توانند به طور کامل واکنش تجزیه در داخل باتری را متوقف کنند و اکثر کپسول های آتش نشانی اثرات خنک کنندگی ضعیفی دارند، دمای باتری تقریباً روند صعودی عمودی را برای خاموش کننده های مختلف نشان می دهد. در مدت کوتاهی دمای باتری به اوج خود می رسد.

در این مرحله تفاوت معنی داری در اثربخشی کپسول های آتش نشانی مختلف در مهار افزایش دمای باتری وجود دارد. اثربخشی به ترتیب نزولی آب > پرفلوروهگزان > HFC-227ea > پودر خشک ABC > CO2 است. هنگامی که دمای باتری به آرامی افزایش می یابد، زمان پاسخگویی بیشتری برای هشدار آتش سوزی باتری و زمان واکنش بیشتری برای اپراتورها فراهم می کند.

نتیجه گیری

1. CO2: خاموش کننده‌های آتش‌نشانی مانند CO2 که عمدتاً با خفگی و جداسازی عمل می‌کنند، اثرات مهاری ضعیفی بر آتش‌سوزی باتری‌ها دارند. در این مطالعه، پدیده احتراق شدید با CO2 رخ داد که آن را برای آتش سوزی باتری های لیتیومی نامناسب کرد.
2. پودر خشک ABC / HFC-227ea: پودر خشک ABC و کپسول های آتش نشانی HFC-227ea که عمدتاً از طریق جداسازی و سرکوب شیمیایی عمل می کنند، می توانند تا حدودی از واکنش های زنجیره ای داخل باتری جلوگیری کنند. آنها اثر کمی بهتر از CO2 دارند، اما از آنجایی که فاقد اثرات خنک کننده هستند و نمی توانند به طور کامل واکنش های داخلی باتری را مسدود کنند، دمای باتری پس از رها شدن کپسول آتش نشانی همچنان به سرعت بالا می رود.
3. پرفلوئورو هگزان: پرفلوروهگزان نه تنها واکنش های داخلی باتری را مسدود می کند، بلکه گرما را از طریق تبخیر جذب می کند. بنابراین اثر بازدارندگی آن در آتش سوزی باتری ها به طور قابل توجهی بهتر از سایر کپسول های آتش نشانی است.
4. آب: در بین تمام کپسول های آتش نشانی، آب بارزترین اثر اطفای حریق را دارد. این عمدتا به این دلیل است که آب ظرفیت گرمایی ویژه زیادی دارد و به آن اجازه می دهد تا مقدار زیادی گرما را به سرعت جذب کند. این باعث خنک شدن مواد فعال داخل باتری می شود و در نتیجه از افزایش بیشتر دما جلوگیری می کند. با این حال، آب آسیب قابل توجهی به باتری ها وارد می کند و هیچ اثر عایق ندارد، بنابراین استفاده از آن باید بسیار محتاط باشد.

چه چیزی را باید انتخاب کنیم؟

ما سیستم های حفاظت از آتش مورد استفاده توسط چندین تولید کننده سیستم های ذخیره انرژی در حال حاضر در بازار را بررسی کرده ایم که در درجه اول از راه حل های اطفاء حریق زیر استفاده می کنند:

• پرفلوروهگزان + آب
• آئروسل + آب

دیده می شود کهعوامل اطفاء حریق هم افزایی روند اصلی تولید کنندگان باتری لیتیومی هستند. پرفلوروهگزان + آب را به عنوان مثال در نظر بگیرید، پرفلوئوروهگزان می تواند به سرعت شعله های آتش را خاموش کند و تماس غبار ریز آب با باتری را تسهیل کند، در حالی که غبار ریز آب می تواند به طور موثر آن را خنک کند. عملیات تعاونی در مقایسه با استفاده از یک عامل اطفاء حریق، اثرات اطفاء و سرمایش بهتری دارد. در حال حاضر، مقررات جدید باتری اتحادیه اروپا، برچسب‌های باتری آینده را ملزم می‌کند که حاوی عوامل اطفای حریق موجود باشد. تولیدکنندگان همچنین باید بر اساس محصولات، مقررات محلی و اثربخشی، عامل اطفاء حریق مناسب را انتخاب کنند.