Extinction des incendies de batteries lithium-ion - technologies courantes et recherche connexe
La part des nouvelles sources d'énergie telles que l'énergie éolienne et l'énergie photovoltaïque dans le système électrique augmente progressivement. En raison de la forte volatilité et du caractère aléatoire de la production d'électricité à partir de nouvelles sources d'énergie, les systèmes de production d'électricité à grande échelle ne sont pas suffisants. solutions de stockage de l'énergie doit être déployé.
Les systèmes de stockage d'énergie par batterie au lithium se sont développés rapidement ces dernières années en raison de leurs avantages, tels qu'une densité énergétique élevée, une bonne économie et une courte période de construction.
Cependant, des accidents dus à des incendies et à des explosions dans les systèmes de stockage d'énergie par batterie au lithium se produisent de temps à autre dans le monde, menaçant le fonctionnement sûr et stable des systèmes de stockage d'énergie et limitant le développement des systèmes de stockage d'énergie par batterie. Extinction des incendies de piles au lithium-ion est une technologie internationale qu'il est urgent de développer.
Difficultés d'extinction des incendies de piles au lithium-ion
Le système de stockage d'énergie par batterie au lithium présente des risques d'emballement thermique et d'incendie tout au long de son cycle de vie. Par rapport aux incendies traditionnels, l'extinction des incendies provoqués par les batteries au lithium-ion présente principalement les deux difficultés suivantes :
- L'incendie des piles au lithium est une combustion composite de gaz et de liquide, avec une diffusion et une propagation rapides, la puissance de la source d'incendie du système mégawattheure est élevée, ce qui rend difficile l'extinction rapide de l'incendie.
- L'emballement thermique d'une batterie au lithium est une réaction électrochimique qui peut être spontanée et continue, et il est difficile d'empêcher la réactivation après l'extinction des incendies de batteries au lithium-ion.
Par conséquent, la technologie efficace d'extinction des incendies de batteries lithium-ion dans les systèmes de stockage d'énergie est devenue un sujet d'actualité pour les chercheurs du monde entier au cours des dernières années.
Sur la base de l'analyse de l'état de la recherche, nous présenterons la recherche sur les méthodes d'extinction rapide des incendies et de refroidissement par passivation à base de fluor pour empêcher la réactivation, qui peuvent rapidement éteindre l'incendie ouvert initial de la batterie de stockage d'énergie au lithium.
Et ne pas rallumer pendant une longue période après avoir éteint les incendies de batteries au lithium-ion, et propose un nouveau schéma technique pour assurer la sécurité du système de stockage d'énergie des batteries au lithium.
Technologies d'extinction des incendies courantes
Extinction à l'eau
Certains pays, dont les États-Unis, utilisent des tuyaux d'injection d'eau dans le compartiment de la batterie afin d'éteindre rapidement les incendies de batteries au lithium-ion en injectant une grande quantité d'eau à l'extérieur.
Cependant, l'utilisation du système de stockage d'énergie batterie haute tensionL'injection d'eau peut entraîner un court-circuit interne de la batterie au lithium-ion, provoquant des dommages importants à l'équipement et un risque d'extension de l'incendie.
L'eau pulvérisée et le brouillard d'eau peuvent rapidement refroidir et éteindre l'incendie, mais dans le système de stockage d'énergie, le module et la grappe de batteries au lithium ont une enveloppe fermée, et la plupart des gouttelettes d'eau ne peuvent pas pénétrer dans la zone centrale de la flamme en raison du blindage, ce qui réduit l'efficacité de l'extinction des incendies de batteries au lithium-ion et limite l'application de cette technique.
En outre, le brouillard d'eau peut produire du CO, du HF, du H2 et d'autres gaz toxiques et explosifs au cours du processus d'extinction des incendies de batteries au lithium-ion, ce qui accroît le risque de sécurité de l'extinction des incendies par brouillard d'eau.
Bien que le brouillard d'eau puisse être utilisé comme méthode efficace pour éteindre les incendies de batteries au lithium-ion, il peut entraîner une pollution de l'eau s'il est pulvérisé par erreur dans l'application. La tension du système de batterie est élevée, et l'accumulation d'eau pendant l'extinction du feu par brouillard d'eau peut provoquer des dommages secondaires tels qu'un court-circuit. Par conséquent, le système de batterie doit être sélectionné avec soin en fonction des exigences réelles de l'application.
Extinction de gaz
L'avantage de l'extinction au gaz est qu'il a une forte capacité d'isolation et qu'il peut éteindre rapidement les flammes ouvertes par rapport à l'extinction à l'eau.
À l'heure actuelle, de nombreux société de batteries lithium-ion utilisent l'heptafluoropropane (C3HF7) comme méthode d'extinction des gaz dans les systèmes de stockage d'énergie des batteries au lithium, et le mécanisme d'extinction des incendies comprend l'inhibition physique et l'inhibition chimique, mais l'inhibition physique est plus puissante que l'inhibition chimique.
L'absorption de chaleur physique du sevofluoropropane peut être divisée en chaleur latente de gazéification, chaleur spécifique et chaleur de décomposition. Dans le cas d'une flamme ouverte de batterie au lithium, le SEvofluoropropane peut être rapidement éteint en quelques secondes, mais il est facile de le rallumer après l'achèvement de l'injection.
La chaleur potentielle du sévofluoropropane n'étant que de 132 kJ/kg, même si le feu ouvert est éteint, la réaction chimique interne de la pile au lithium continue à produire de la chaleur, ce qui entraîne un nouvel allumage, car la pile au lithium n'a pas été refroidie et la réaction d'emballement thermique n'a pas été stoppée.
En outre, au cours du processus de libération, l'heptafluoropropane génère du gaz HF à haute température, ce qui peut menacer la sécurité des secouristes.
Ces dernières années, un nouveau type d'agent d'extinction des gaz propres, le perfluorohexanone (C6F12O), a commencé à attirer l'attention. Son mécanisme d'extinction des incendies est principalement l'inhibition chimique, qui peut capturer les radicaux libres brûlants par le biais de substances contenant du fluor (CF3, CF2) et éteindre rapidement l'incendie.
La principale inhibition physique est l'absorption de chaleur de la transition de phase du perfluorohexanone, qui réduit la température de surface de la batterie. La chaleur latente de la transition de phase du perfluorohexanone est de 88kJ/kg, et la performance de refroidissement est limitée, mais meilleure que celle de l'heptafluoropropane.
Afin d'améliorer la capacité de refroidissement du perfluorophénone dans les applications, la pulvérisation intermittente de perfluorophénone peut améliorer l'efficacité du refroidissement, et le meilleur effet est obtenu lorsque le cycle de travail est de 54,3%.
En outre, il convient de noter que lorsque la fraction volumique est inférieure à 2%, le perfluorophénone augmente la température de la batterie, probablement parce que la faible concentration de perfluorophénone augmente la vitesse de la flamme et la température adiabatique.
En outre, le MFED1 (indice de toxicité) du perfluorophénone après l'extinction de l'incendie était plus élevé, atteignant 0,75. Afin de coordonner et d'unifier l'extinction des incendies et la sécurité, il est recommandé que le dosage de perfluorohexanone soit de 2,9 g/(W-h) pour l'extinction des incendies de batteries au lithium-ion.
L'agent extincteur à base de fluor, représenté par le perfluorohexanone, a une excellente capacité d'extinction des incendies, mais l'effet de refroidissement n'est pas suffisant, la quantité est importante et le coût est élevé. La capacité de refroidissement du brouillard d'eau fin est élevée, mais il peut provoquer un court-circuit externe de la batterie et étendre l'incendie.
En outre, à l'heure actuelle, l'extinction des incendies liés aux piles au lithium-ion est principalement concentrée sur les piles à usage unique. test de batterie Il est donc urgent de mener une nouvelle recherche sur les essais d'extinction d'incendie à haute efficacité pour l'incendie des modules de batterie de grande taille.
Recherche sur les essais d'extinction d'incendie
Méthodes d'extinction des incendies
Compte tenu des caractéristiques d'emballement thermique des batteries lithium-ion de stockage d'énergie, les chercheurs ont proposé des méthodes d'extinction rapide des incendies et de refroidissement par passivation à base de fluor afin d'empêcher la réinflammation.
Dans les premiers stades d'un incendie de batterie, le perfluorohexanone est utilisé pour éteindre rapidement la flamme nue, puis du dioxyde de carbone à basse pression est pulvérisé par intermittence pour refroidir et empêcher le feu de la batterie de se rallumer. Le dioxyde de carbone basse pression est un excellent moyen de refroidissement à une pression relativement faible (2,07MPa) et à basse température (-18~20℃).
Il possède la plus grande chaleur latente de vaporisation (276,3 kJ/kg) parmi les principaux agents extincteurs à gaz existants. Des recherches préliminaires ont montré que le dioxyde de carbone à basse pression possède une forte capacité d'absorption de la chaleur en raison de sa grande chaleur de vaporisation et qu'il est efficace pour inhiber l'emballement thermique des piles au lithium.
Dispositif expérimental
Le schéma de l'essai d'extinction d'incendie est le suivant.
- Disposez un total de 28 batteries au phosphate de fer lithié de 72A-h/3,2V dans le boîtier du module de batterie.
- Connecter toutes les batteries en série avec des barres de cuivre pour former un bloc-batterie.
- Placez deux plaques chauffantes entre les batteries et la puissance sont toutes deux de 1000W.
- En même temps, placez un grillage barbelé sur le dessus du module de la batterie.
- Pendant que la batterie est chauffée, le fil barbelé tombe sur le module de la batterie, ce qui provoque un court-circuit externe.
- Le couplage de l'échauffement et du court-circuit induit un emballement thermique et un incendie dans la batterie.
Les thermocouples T1-T11 sont placés entre les batteries, comme le montre la figure ci-dessous, afin de recueillir des données sur les variations de température de surface de la batterie pendant l'emballement thermique et l'extinction de l'incendie. T12 mesure la température ambiante. Des buses d'extinction au perfluorohexanone et au dioxyde de carbone à basse pression sont installées directement au-dessus du boîtier de la batterie.
Résultats des tests
L'image de l'ensemble du processus d'essai est présentée ci-dessous. Après que la batterie a été chauffée en continu pendant environ 35 minutes, le treillis métallique a été activement déposé sur le module de la batterie afin de créer un court-circuit entre les pôles de la cathode et de l'anode. Lorsque la température maximale de la surface de la cellule du module de batterie a atteint 110°C, comme le montre l'illustration (b), un court-circuit à l'extérieur de la batterie a produit un grand nombre d'étincelles.
Au bout de 413 secondes, la batterie a pris feu, comme le montre l'illustration (c), et la température maximale de la surface du cœur de la batterie était de 122°C. Au cours du processus de combustion, un jet d'air violemment enflammé s'est formé, comme le montre l'illustration (d).
Après avoir continué à brûler pendant un certain temps, démarrer le perfluorohexanone pour éteindre les incendies de batteries lithium-ion, et en même temps couper l'alimentation de la plaque chauffante et arrêter de chauffer. Comme le montre l'illustration (e), la flamme nue est éteinte en 5 secondes, puis le refroidissement intermittent au dioxyde de carbone à basse pression commence pour empêcher le rallumage de la batterie.
La température de l'environnement d'essai était de 30,5°C. Lorsque le bloc-batterie est chauffé, la température augmente de façon linéaire. Lorsque la température de surface mesurée de la batterie a atteint un maximum de 110°C, ce qui est proche de la température critique de l'emballement thermique, le module de la batterie a été court-circuité à l'extérieur avec un treillis métallique.
Mais la batterie n'a pas pris feu immédiatement, et la température a maintenu sa tendance initiale et a continué à augmenter jusqu'à 150°C, lorsqu'un court-circuit a produit une étincelle électrique et a provoqué l'incendie de la batterie.
Le test a utilisé du perfluorohexanone et du dioxyde de carbone à basse pression pour éteindre les incendies de batteries au lithium-ion et empêcher qu'ils ne se rallument. Les résultats de la mesure de la température T4 ont montré que la flamme nue était rapidement éteinte et que la courbe présentait une forte tendance à la baisse. Par la suite, du dioxyde de carbone à basse pression a été pulvérisé par intermittence pour refroidir les batteries à quatre reprises.
Les résultats des tests ont montré que cet agent extincteur peut rapidement réduire la température ambiante, avec un refroidissement maximal de -60°C. Étant donné que le court-circuit a toujours existé et n'a pas été supprimé, la température locale du bloc-batterie continue d'augmenter par intermittence après l'extinction de l'incendie.
Par exemple, la température du T3 a augmenté vers 3500s. Cela s'explique principalement par le fait que le cœur de la batterie n'a pas été chauffé uniformément, mais a atteint la température critique d'emballement thermique par étapes. Par exemple, la batterie T10 a atteint la température de surface critique de 120°C en premier, et la batterie L26 située à côté a été la première à s'enflammer, puis la chaleur a commencé à se propager entre les batteries.
Afin d'évaluer les performances de refroidissement de l'injection de dioxyde de carbone à basse pression dans la batterie, une température typique T4 a été sélectionnée pour calculer la quantité de refroidissement, la puissance de refroidissement et l'efficacité de refroidissement du dioxyde de carbone à basse pression.
La formule de calcul est la suivante :
Qc：Capacité de refroidissement du dioxyde de carbone à basse pression
A : Surface de la section transversale du module
λco2 : Conductivité thermique du dioxyde de carbone
d : Diamètre du trou de la buse de dioxyde de carbone
ΔT : Différence de température avant et après l'injection de dioxyde de carbone à basse pression
c : Capacité thermique spécifique de la batterie (1,1kJ/kg-℃)
m : Masse du module de batterie (50,4 kg)
qc : Puissance de refroidissement
Δt : Durée de l'injection de dioxyde de carbone à basse pression
e : Efficacité du refroidissement
h : Chaleur latente du dioxyde de carbone à basse pression
mc : Volume d'injection de dioxyde de carbone à basse pression
| Paramètres de performance du refroidissement par injection de dioxyde de carbone à basse pression | ||||
|---|---|---|---|---|
| Temps d'injection | Durée de l'injection/s | Capacité de refroidissement/kJ | Puissance de refroidissement/W | Efficacité de refroidissement/% |
| 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 |
Par rapport à la surcharge avec chargeur de batterieLes incendies de batterie déclenchés par le couplage des modes de défaillance de l'échauffement et du court-circuit sont plus difficiles à contrôler, principalement parce que la source d'allumage ne peut pas être éliminée efficacement, ce qui signifie également qu'il est important de mettre continuellement sur le marché des moyens de refroidissement peu coûteux et efficaces.
Cette méthode permet de ralentir efficacement l'intensité de la réaction en chaîne de l'emballement thermique et d'exercer un meilleur effet inhibiteur sur les emballements thermiques graves tels qu'un court-circuit externe de la batterie.
Les recherches expérimentales susmentionnées permettent d'éteindre rapidement le feu ouvert initial du module de batterie au lithium de stockage d'énergie et d'éviter qu'il ne se rallume une fois l'incendie éteint. Toutefois, la technologie d'extinction des incendies de batteries au lithium-ion ne peut que réduire les pertes dues aux incendies, mais ne peut pas résoudre fondamentalement le problème de sécurité lié à l'incendie et à l'explosion de la batterie après un emballement thermique.
C'est pourquoi il est plus important de mener des recherches approfondies sur la technologie des batteries lithium-ion à sécurité intrinsèque pour le stockage de l'énergie.
