Extinción de incendios provocados por baterías de iones de litio: principales tecnologías e investigación relacionada
La proporción de nuevas fuentes de energía, como la eólica y la fotovoltaica, en el sistema eléctrico aumenta gradualmente. Debido a la gran volatilidad y aleatoriedad de la generación de electricidad a partir de las nuevas energías, los sistemas de generación a gran escala no son los más adecuados. soluciones de almacenamiento de energía debe desplegarse.
Los sistemas de almacenamiento de energía con baterías de litio se han desarrollado rápidamente en los últimos años debido a sus ventajas, como la alta densidad energética, la buena economía y el corto periodo de construcción.
Sin embargo, de vez en cuando se producen en todo el mundo accidentes de incendio y explosión en los sistemas de almacenamiento de energía con baterías de litio, lo que pone en peligro el funcionamiento seguro y estable de los sistemas de almacenamiento de energía y limita el desarrollo de los sistemas de almacenamiento de energía con baterías. Extinguir los incendios provocados por baterías de iones de litio es una tecnología internacional que urge desarrollar.
Dificultades en la extinción de incendios de baterías de iones de litio
El sistema de almacenamiento de energía en baterías de litio presenta riesgos de fuga térmica e incendio durante todo su ciclo de vida. En comparación con los incendios tradicionales, la extinción de incendios en baterías de iones de litio presenta principalmente dos dificultades, que se describen a continuación:
- El fuego de la batería de litio es una combustión compuesta de gas y líquido, con la difusión y propagación rápidas, la potencia de la fuente de fuego del sistema de megavatios-hora es alta, lo que dificulta la extinción rápida del fuego.
- El desbordamiento térmico de la batería de litio es una reacción electroquímica, que puede ser espontánea y continua, y es difícil evitar el reencendido tras la extinción de incendios de baterías de iones de litio.
Por lo tanto, la tecnología eficiente de extinción de incendios de baterías de iones de litio en el sistema de almacenamiento de energía se ha convertido en un tema candente de los investigadores mundiales en los últimos años.
Basándonos en el análisis del estado de la investigación, presentaremos la investigación sobre métodos de extinción rápida de incendios y enfriamiento por pasivación a base de flúor para evitar la reignición, que pueden extinguir rápidamente el fuego abierto inicial de la batería de almacenamiento de energía de litio.
Y no volver a encender durante mucho tiempo después de extinguir los incendios de baterías de iones de litio, y propone un nuevo esquema técnico para garantizar la seguridad del sistema de almacenamiento de energía de baterías de litio.
Principales tecnologías de extinción de incendios
Extinción por agua
Algunos países, entre ellos Estados Unidos, utilizan tuberías de inyección de agua contra incendios en el compartimento de la batería para lograr el propósito de extinguir rápidamente los incendios de baterías de iones de litio mediante una gran cantidad de inyección de agua externa.
Sin embargo, el uso del sistema de almacenamiento de energía batería de alto voltajeEn caso contrario, la inyección de agua puede provocar un cortocircuito interno de la batería de iones de litio, lo que puede causar daños de gran magnitud en el equipo y existe el riesgo de propagación del incendio.
El agua pulverizada y el agua nebulizada pueden enfriar y extinguir rápidamente el incendio, pero en el sistema de almacenamiento de energía, el módulo y el grupo de baterías de litio tienen una carcasa cerrada, y la mayoría de las gotas de agua no pueden penetrar en la zona central de la llama debido al blindaje, lo que reduce la eficacia de la extinción de incendios de baterías de iones de litio y limita su aplicación.
Además, el agua nebulizada puede producir CO, HF, H2 y otros gases tóxicos y explosivos durante el proceso de extinción de incendios de baterías de iones de litio, lo que aumenta el riesgo de seguridad de la extinción de incendios con agua nebulizada.
Aunque el agua nebulizada puede utilizarse como método eficaz para extinguir incendios de baterías de iones de litio, puede provocar la contaminación del agua cuando se pulveriza por error en la aplicación. El voltaje del sistema de baterías es alto, y la acumulación de agua durante la extinción de incendios con agua nebulizada puede causar daños secundarios, como cortocircuitos. Por lo tanto, el sistema de baterías debe seleccionarse cuidadosamente de acuerdo con los requisitos reales de la aplicación.
Extinción por gas
La ventaja de la extinción por gas es que tiene un fuerte aislamiento y puede extinguir rápidamente las llamas abiertas en comparación con la extinción por agua.
En la actualidad, muchos empresa de baterías de iones de litio utilizan heptafluoropropano (C3HF7) como método de extinción de gases en sistemas de almacenamiento de energía de baterías de litio, y el mecanismo de extinción de incendios incluye la inhibición física y la inhibición química, pero la inhibición física es más potente que la inhibición química.
La absorción física de calor del sevofluoropropano puede dividirse en calor latente de gasificación, calor específico y calor de descomposición. En el caso de la llama abierta de la batería de litio, el SEvofluoropropano puede extinguirse rápidamente en unos segundos, pero es fácil que vuelva a encenderse una vez finalizada la inyección.
Dado que el calor potencial del sevofluoropropano es de sólo 132kJ/kg, aunque se apague el fuego abierto, debido a que no se consigue enfriar la batería de litio y detener la reacción de fuga térmica, la reacción química interna de la batería de litio sigue produciendo calor, lo que lleva a la reignición.
Además, durante el proceso de liberación, el heptafluoropropano generará gas HF a alta temperatura, lo que puede amenazar la seguridad del personal de rescate.
En los últimos años, un nuevo tipo de agente extintor de gas limpio, la perfluorohexanona (C6F12O), ha comenzado a atraer la atención, y su mecanismo de extinción de incendios es principalmente la inhibición química, que puede capturar radicales libres ardientes a través de sustancias que contienen flúor (CF3, CF2) y extinguir rápidamente el fuego.
La principal inhibición física es la absorción de calor de la transición de fase de la perfluorohexanona, que reduce la temperatura superficial de la batería. El calor latente de la transición de fase de la perfluorohexanona es de 88kJ/kg, y el rendimiento de refrigeración es limitado, pero mejor que el del heptafluoropropano.
Para mejorar la capacidad de refrigeración de la perfluorofenona en las aplicaciones, la pulverización intermitente de perfluorofenona puede mejorar la eficacia de refrigeración, y el mejor efecto se produce cuando el ciclo de trabajo es de 54,3%.
Además, cabe señalar que cuando la fracción de volumen es inferior a 2%, la perfluorofenona aumentará la temperatura de la pila, posiblemente porque la baja concentración de perfluorofenona aumenta la velocidad de la llama y la temperatura adiabática.
Además, el MFED1(índice de toxicidad) de la perfluorofenona tras la extinción del incendio fue mayor, alcanzando 0,75. Para lograr la coordinación y unificación de la extinción de incendios y la seguridad, se recomienda que la dosis de perfluorohexanona sea de 2,9 g/(W-h) para extinguir incendios de baterías de iones de litio.
El agente extintor a base de flúor representado por la perfluorohexanona tiene un excelente rendimiento de extinción de incendios, pero el efecto de enfriamiento no es lo suficientemente bueno y la cantidad es grande y el coste es elevado. El rendimiento de enfriamiento de la niebla de agua fina es fuerte, pero puede causar cortocircuito externo de la batería y expandir el fuego.
Además, en la actualidad, la extinción de incendios de baterías de iones de litio se concentra principalmente en el único prueba de batería Además, se carece de pruebas de verificación para la aplicación de sistemas de almacenamiento de energía a gran escala, y es urgente llevar a cabo una nueva investigación de pruebas de extinción de incendios de alta eficacia para el fuego de módulos de baterías de gran tamaño.
Investigación sobre ensayos de extinción de incendios
Métodos de extinción de incendios
En vista de las características de fuga térmica de las baterías de iones de litio de almacenamiento de energía, los investigadores han propuesto métodos de extinción rápida y enfriamiento por pasivación a base de flúor para evitar la reignición.
En las primeras fases de un incendio de batería, se utiliza perfluorohexanona para extinguir rápidamente la llama abierta y, a continuación, se pulveriza dióxido de carbono a baja presión de forma intermitente para enfriar y evitar que el fuego de la batería se reavive. El dióxido de carbono a baja presión es un excelente medio refrigerante a una presión relativamente baja (2,07 MPa) y a baja temperatura (-18~20℃).
Tiene el mayor calor latente de vaporización (276,3kJ/kg) entre los principales agentes extintores de incendios gaseosos existentes. Las investigaciones preliminares revelaron que el dióxido de carbono a baja presión tiene una gran propiedad de absorción del calor debido a su elevado calor de vaporización, y es eficaz para inhibir el desbordamiento térmico de las baterías de litio.
Montaje experimental
La disposición de la prueba de extinción de incendios es la siguiente.
- Disponga un total de 28 baterías de litio hierro fosfato de 72A-h/3,2V en la caja del módulo de baterías.
- Conecta todas las pilas en serie con barras de cobre para formar un pack de pilas.
- Coloca dos placas calefactoras entre las pilas y la potencia son ambas de 1000W.
- Al mismo tiempo, coloque una malla de alambre de espino en la parte superior del módulo de la batería.
- Mientras calienta la batería, deje caer la malla de alambre de espino sobre el módulo de la batería, provocando un cortocircuito externo.
- El acoplamiento del calentamiento y el cortocircuito induce el desbordamiento térmico y el incendio de la batería.
Los termopares T1-T11 se colocan entre las baterías, como se muestra en la figura siguiente, para recoger datos de cambio de temperatura de la superficie de la batería durante el embalamiento térmico y la extinción del incendio. T12 mide la temperatura ambiente. Las boquillas de extinción de incendios de perfluorohexanona y dióxido de carbono a baja presión están instaladas directamente encima de la caja de la batería.
Resultados de las pruebas
A continuación se muestra la imagen de todo el proceso de prueba. Después de calentar continuamente la batería durante unos 35 minutos, se dejó caer activamente la malla metálica sobre el módulo de la batería para conseguir un cortocircuito entre los polos catódico y anódico. Cuando la temperatura máxima de la superficie de la célula del módulo de la batería alcanzó los 110°C, como se muestra en (b), un cortocircuito en el exterior de la batería produjo un gran número de chispas.
Después de 413 segundos, la batería se incendió, como se muestra en (c), y la temperatura máxima de la superficie del núcleo de la batería fue de 122°C. Durante el proceso de combustión, se forma un chorro de fuego que arde violentamente, como se muestra en (d).
Después de seguir ardiendo durante un rato, inicie la perfluorohexanona para extinguir incendios de baterías de iones de litio, y al mismo tiempo apague la alimentación de la placa calefactora y deje de calentar. Como se muestra en (e), la llama abierta se extingue en 5 segundos y, a continuación, se inicia el enfriamiento intermitente con dióxido de carbono a baja presión para inhibir la reignición de la batería.
La temperatura ambiente de prueba era de 30,5 °C. Cuando se calentó el módulo de la batería, la temperatura aumentó linealmente. Cuando la temperatura medida de la superficie de la batería alcanzó un máximo de 110 °C, cercana a la temperatura crítica de desbocamiento térmico, se cortocircuitó externamente el módulo de la batería con una malla metálica.
Pero la batería no se incendió inmediatamente, y la temperatura mantuvo su tendencia original y siguió aumentando hasta los 150°C, cuando un cortocircuito produjo una chispa eléctrica y provocó el incendio de la batería.
En la prueba se utilizó perfluorohexanona y dióxido de carbono a baja presión para extinguir incendios de baterías de iones de litio y evitar su reignición. Los resultados de la medición de la temperatura T4 mostraron que la llama abierta se extinguía rápidamente y que la curva mostraba una tendencia descendente pronunciada. Posteriormente, se roció dióxido de carbono a baja presión de forma intermitente para enfriar un total de 4 veces.
Los resultados de las pruebas demostraron que este medio de extinción puede reducir rápidamente la temperatura ambiente, con un enfriamiento máximo de -60°C. Dado que el cortocircuito siempre ha existido y no se ha eliminado, la temperatura local del paquete de baterías sigue aumentando de forma intermitente tras la extinción del incendio.
Por ejemplo, la temperatura de la T3 aumentó en torno a 3500s. Esto se debe principalmente a que el núcleo de la batería no se calentó uniformemente, sino que alcanzó la temperatura crítica de desbocamiento térmico por etapas. Por ejemplo, T10 alcanzó primero la temperatura superficial crítica de 120°C, y la batería L26 situada a su lado se incendió primero, y luego el calor empezó a propagarse entre las baterías.
Para evaluar el rendimiento de refrigeración de la inyección de dióxido de carbono a baja presión en la batería, se seleccionó una temperatura típica T4 para calcular la cantidad de refrigeración, la potencia de refrigeración y la eficiencia de refrigeración del dióxido de carbono a baja presión.
La fórmula de cálculo es la siguiente
Qc：Capacidad de refrigeración por dióxido de carbono a baja presión
A: Sección transversal del módulo
λco2: Conductividad térmica del dióxido de carbono
d: Diámetro del orificio de la boquilla de dióxido de carbono
ΔT: Diferencia de temperatura antes y después de la inyección de dióxido de carbono a baja presión
c: Capacidad calorífica específica de la batería (1,1kJ/kg-℃)
m: Masa del módulo de batería (50,4 kg)
qc: Potencia de refrigeración
Δt: Tiempo de inyección de dióxido de carbono a baja presión
e: Eficacia de la refrigeración
h: Calor latente del dióxido de carbono a baja presión
mc: Volumen de inyección de dióxido de carbono a baja presión
| Parámetros de rendimiento de la refrigeración por inyección de dióxido de carbono a baja presión | ||||
|---|---|---|---|---|
| Tiempos de inyección | Duración de la inyección | Capacidad de refrigeración/kJ | Potencia frigorífica/W | Eficiencia de refrigeración/% |
| 1 | 36 | 1857.24 | 51. 59 | 44.80 |
| 2 | 26 | 1419.26 | 54.58 | 49.32 |
| 3 | 32 | 1829.52 | 57.17 | 51.54 |
| 4 | 30 | 1707.55 | 44.90 | 41.20 |
En comparación con la sobrecarga con cargador de bateríaAdemás del calentamiento y otros modos individuales que desencadenan incendios por fuga térmica de la batería, los incendios de baterías desencadenados por modos de fallo de acoplamiento de calentamiento y cortocircuito son más difíciles de controlar, principalmente porque la fuente de ignición no puede eliminarse eficazmente, lo que también significa la importancia de liberar continuamente medios de refrigeración de bajo coste y eficientes.
Este método puede ralentizar eficazmente la intensidad de la reacción en cadena de fuga térmica, y también puede ejercer un mejor efecto inhibidor sobre la fuga térmica grave, como un cortocircuito externo de la batería.
La investigación experimental anterior puede extinguir rápidamente el fuego abierto inicial del módulo de batería de litio de almacenamiento de energía y evitar que vuelva a encenderse una vez extinguido el fuego. Sin embargo, la tecnología de extinción de incendios de baterías de iones de litio sólo puede reducir las pérdidas por incendio posterior, pero no puede resolver fundamentalmente el problema de seguridad del incendio y explosión de la batería tras el desbocamiento térmico.
Por este motivo, es más importante investigar en profundidad la tecnología de baterías de iones de litio de almacenamiento de energía intrínsecamente segura.
