Akumulatory litowo-jonowe: zagrożenia pożarowe i metody gaszenia

Akumulatory litowo-jonowe (LiB) zrewolucjonizowały sposób, w jaki przechowujemy i wykorzystujemy energię, stając się nieodłącznym elementem naszego codziennego życia. Ich wysoka wydajność, niewielkie rozmiary i brak negatywnego wpływu na środowisko sprawiły, że znalazły zastosowanie w szerokiej gamie urządzeń - od smartfonów i laptopów, przez hulajnogi i rowery elektryczne, aż po samochody, autobusy, a nawet w przemyśle morskim, lotniczym i kosmicznym. Ponadto, LiB charakteryzują się dużą gęstością mocy i niskim samorozładowaniem, co czyni je idealnym rozwiązaniem do magazynowania energii.

Dlaczego baterie litowo-jonowe mogą się zapalić?

Pomimo licznych zalet, baterie litowo-jonowe niosą ze sobą potencjalne ryzyko pożaru, które może stanowić poważne zagrożenie. Przyczyną tego zjawiska jest sama konstrukcja akumulatorów, które przechowują dużą ilość energii w niewielkiej objętości, wykorzystując przy tym wysoce reaktywne materiały i łatwopalne elektrolity. Niewłaściwe ładowanie, przegrzanie, uszkodzenia mechaniczne czy wady produkcyjne mogą doprowadzić do niekontrolowanego wzrostu temperatury, co z kolei inicjuje reakcję łańcuchową - zjawisko znane jako ucieczka termiczna (thermal runaway).

Czynniki wywołujące zapłon baterii litowo-jonowej:

• Niewłaściwe ładowanie: Używanie nieodpowiednich ładowarek lub ładowanie w nieprawidłowy sposób może prowadzić do przegrzania i uszkodzenia ogniw.
• Przegrzanie: Wysokie temperatury otoczenia, intensywne ładowanie lub rozładowanie, a także praca w gorących warunkach mogą spowodować nadmierny wzrost temperatury baterii.
• Uszkodzenia mechaniczne: Fizyczne uderzenia, przebicia, zgniecenia lub deformacje baterii mogą prowadzić do wewnętrznych zwarć, co jest częstą przyczyną pożarów.
• Wady produkcyjne: Ukryte wady fabryczne mogą sprawić, że bateria będzie podatna na wewnętrzne zwarcia i przegrzewanie, nawet w normalnych warunkach użytkowania.
• Starzenie się baterii: Z czasem skład chemiczny baterii może ulec zmianie, a wewnątrz mogą tworzyć się dendryty (kryształy), które przebijają separator, powodując zwarcia.
• Głębokie rozładowanie: Długotrwałe nieużywanie baterii może doprowadzić do jej całkowitego rozładowania. Próba ponownego naładowania tak głęboko rozładowanego ogniwa może spowodować zwarcie lub pożar.

Mechanizm pożaru baterii litowo-jonowej

Proces zapłonu baterii litowo-jonowej jest złożony i przebiega w kilku etapach. Gdy temperatura wewnątrz ogniwa zaczyna rosnąć, dochodzi do kolejnych reakcji chemicznych:

• Rozkład warstwy pasywacyjnej (SEI): W temperaturze około 80°C zaczyna rozpadać się warstwa ochronna na anodzie, co generuje ciepło.
• Rozkład elektrolitu: W temperaturze 100-120°C elektrolit zaczyna się rozkładać, uwalniając ciepło i gazy.
• Topnienie separatora: W przedziale 120-130°C separator, który rozdziela anodę i katodę, topi się, co prowadzi do zwarcia między elektrodami i dalszego wzrostu temperatury.
• Rozkład katody i uwalnianie tlenu: Między 130°C a 150°C katoda zaczyna się rozpadać, uwalniając ciepło i tlen. Tlen ten zasila ogień, sprawiając, że proces staje się samowystarczalny.
• Ucieczka termiczna: Po przekroczeniu progu około 150-180°C, reakcja staje się samowystarczalna, a temperatura rośnie w sposób niekontrolowany. Nagromadzone w obudowie gazy mogą doprowadzić do jej rozerwania, a obecność iskry może spowodować zapłon i eksplozję.

Podczas pożaru baterii litowo-jonowej wydziela się ekstremalnie wysoka temperatura, która może sięgać nawet +3000°C. Dodatkowym problemem jest fakt, że lit w baterii sam dostarcza tlenu do spalania, co utrudnia ugaszenie i może prowadzić do ponownych zapłonów. Jedno uszkodzone ogniwo może wywołać kaskadową reakcję w całym systemie akumulatorów.

Trudności w gaszeniu pożarów baterii litowo-jonowych

Konwencjonalne środki gaśnicze, takie jak proszek, piana czy woda, często okazują się niewystarczające do skutecznego ugaszenia pożaru baterii litowo-jonowych. Wynika to z kilku czynników:

• Wysoka temperatura: Ekstremalnie wysoka temperatura utrudnia skuteczne chłodzenie.
• Reaktywność litu: Lit sam dostarcza tlenu, podtrzymując proces spalania.
• Brak dostępu do źródła ognia: Wewnętrzne reakcje chemiczne w ogniwach są trudne do zneutralizowania tradycyjnymi metodami.
• Zagrożenie wtórnymi zapłonami: Ucieczka termiczna jednego ogniwa może wywołać pożar w sąsiednich ogniwach.

Ważnym aspektem jest również to, że pożary te generują toksyczne i szkodliwe opary, które stanowią zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi.

Specjalistyczne gaśnice do baterii litowo-jonowych

W odpowiedzi na specyficzne zagrożenia związane z pożarami baterii litowo-jonowych, opracowano specjalistyczne środki gaśnicze. Gaśnice oznaczone jako Lith Ex zawierają środek gaśniczy AVD, który tworzy na powierzchni pożaru cienką warstwę, zapobiegając rozprzestrzenianiu się ciepła i ograniczając dostęp tlenu.

Gaśnice te dostępne są w różnych wariantach - od przenośnych (2l, 6l, 9l dla użytku domowego i biurowego) po większe, przewoźne jednostki (25l, 50l) przeznaczone dla przemysłu. Dedykowane gaśnice stanowią gwarancję odpowiedniego zabezpieczenia, ponieważ pożar baterii litowo-jonowych może wystąpić w każdej chwili.

Środki ochrony przeciwpożarowej i zapobieganie

Skuteczna ochrona przeciwpożarowa baterii litowo-jonowych obejmuje działania na wielu poziomach - od projektowania samych ogniw, poprzez budowę modułów i pakietów, aż po systemy przechowywania i transportu.

Rekomendacje dla producentów i użytkowników:

• Bezpieczeństwo na etapie projektowania: Stosowanie niepalnych elektrolitów, stabilniejszych materiałów katodowych, dodatków zmniejszających palność, grubszych obudów oraz wyposażanie baterii w odpowietrzniki i bezpieczniki termiczne.
• Zabezpieczenia w ogniwach: Wprowadzanie dodatków uniepalniających do elektrolitu, stosowanie grubszych obudów i termicznych bezpieczników.
• Systemy zarządzania baterią (BMS): Ciągłe ulepszanie systemów monitorujących i kontrolujących pracę baterii w celu utrzymania bezpiecznego środowiska pracy.
• Bezpieczne przechowywanie: Wykorzystanie specjalnych szaf i pojemników do przechowywania baterii, które zapobiegają rozprzestrzenianiu się ciepła i ognia.
• Bezpieczny transport: Przestrzeganie norm transportowych (np. UN 38.3) i zachowanie szczególnych środków ostrożności.
• Odpowiednie ładowanie i użytkowanie: Stosowanie się do zaleceń producenta dotyczących ładowania i unikanie ekstremalnych warunków pracy.
• Szkolenie personelu: W przypadku firm zajmujących się recyklingiem, kluczowe jest przeszkolenie pracowników w zakresie identyfikacji, bezpiecznego obchodzenia się, przechowywania oraz procedur w razie pożaru baterii.
• Ułatwiony demontaż: Projektowanie urządzeń w taki sposób, aby akumulatory były łatwo dostępne i możliwe do usunięcia za pomocą standardowych narzędzi, co ułatwia ich bezpieczną utylizację.

W przypadku wystąpienia pożaru, kluczowe jest jak najszybsze i skuteczne chłodzenie ogniw, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się ciepła na kolejne moduły baterii. Chociaż woda jest skutecznym środkiem chłodzącym, jej użycie może wiązać się z ryzykiem reakcji chemicznych. Dlatego też badania nad optymalnymi metodami gaszenia, w tym wykorzystaniem mgły wodnej oraz specjalistycznych środków chemicznych, są kontynuowane.

tags: #akumulator #spiecie #pozar