Pożary akumulatorów litowo-jonowych

Na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat akumulatory litowo-jonowe zyskały na popularności dzięki zdolności do efektywnego magazynowania energii. Są stosowane nie tylko w produkcji samochodów elektrycznych, stanowią także podstawę przydomowych magazynów energii. Ze względu na magazynowanie  energii o dużej gęstości akumulatory litowo-jonowe mogą stanowić niekiedy zagrożenie pożarowe.

Akumulatory litowo-jonowe możemy podzielić na różne rodzaje ze względu na zastosowane materiały do budowy elektrody dodatniej i ujemnej. W zależności od konstrukcji i technologii akumulatory mają określoną charakterystykę, o której mówią takie parametry, jak: moc, gęstość energii, żywotność, wydajność, bezpieczeństwo oraz koszt wytworzenia. Biorąc pod uwagę popularność, można wyróżnić ich dwa typy. Pierwsze to akumulatory LTO – są bardzo stabilne w różnych warunkach temperaturowych, przez co charakteryzują się dużym bezpieczeństwem oraz żywotnością. Ich koszt wytworzenia jest znacznie niższy niż w przypadku drugiego rodzaju akumulatorów – NMC. Do produkcji NMC wykorzystywane są bowiem rzadkie i drogie materiały, takie jak kobalt i mangan. Mogą one jednak magazynować dużo większą energię.

Wiedza z eksperymentu

Badania akumulatorów LTO oraz NMC wykonane w Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpożarowej – PIB miały na celu poznanie dwóch aspektów dotyczących bezpieczeństwa pożarowego podczas korzystania z akumulatorów litowo-jonowych. Pierwszy z nich dotyczył możliwości wystąpienia pożaru na skutek uszkodzenia ogniwa w ramach trzech scenariuszy pożarowych, przez: długotrwałe ładowanie, ogrzewanie płomieniem zewnętrznym oraz ogrzewanie płytą grzewczą (symulujące pożar sąsiadującego urządzenia elektrycznego). W ramach scenariuszy pożarowych stosowano specjalistyczną aparaturę do ładowania oraz rozładowania akumulatorów, palnik propanowy o mocy 12 kW oraz płytę grzewczą o mocy 5 kW. W trakcie testów obserwowano wizualnie zjawisko pożaru poszczególnych cel ogniwa oraz rejestrowano temperaturę na zewnątrz i wewnątrz modułów.

Drugim aspektem była ocena możliwości ugaszenia ogniwa w trakcie pożaru, który mógłby wystąpić na linii produkcyjnej w zakładzie. W trakcie testów stosowano szereg środków gaśniczych, które są zazwyczaj dostępne, tj. hydrant wewnętrzny H25, proszkowe urządzenia gaśnicze, płachtę gaśniczą oraz koc gaśniczy.

Testy pożarowe:

1. przeładowanie modułu LTO

W wyniku poddawania modułu LTO przeładowaniu dochodzi do rozszczelnienia pojedynczej celi, z której uwalnia się niewielka ilość gazu. Po chwili następuje wyrzut gazu rozkładowego, któremu towarzyszy pióropusz iskier, doprowadzając do zapłonu gazu. W wyniku zapłonu dochodzi do rozerwania celi (fot. 1).

2. podgrzewanie płomieniem zewnętrznym

Z pojedynczego ogniwa pryzmatycznego LTO (tzw. celi) poddanego odziaływaniu ognia na boczną ścianę następuje powolny wyrzut gazu rozkładowego z otworu wentylacyjnego. Następnie dochodzi do pojawienia się stałych produktów rozkładu, w formie żarzenia oraz płomienia. Po chwili płomień przygasa i następuje dalszy wyrzut gazów rozkładowych z ogniwa, jednakże jego dynamika wyraźnie spada. W trakcie testu zarejestrowano temperaturę gazów wyrzutowych o wartości 375°C (zmierzoną 200 mm nad powierzchnią otworu wentylacyjnego), temperaturę zewnętrznej ściany obudowy celi po przeciwnej stronie palnika o wartości 369°C, temperaturę dolnej ściany obudowy celi 121°C. Ogniwo jest spuchnięte, ale nie uszkodzone, co potwierdza prawidłowość zadziałania otworu wentylacyjnego na skutek wzrostu ciśnienia wewnątrz ogniwa.

W przypadku modułu NMC palnik był skierowany na jego dolną ścianę, wykonaną z tworzywa sztucznego. Wypływowi gazu towarzyszy hałas, wysoki dźwięk powstający na skutek uwalniania gazu pod dużym ciśnieniem. Gaz jest palny, jego strudze towarzyszy znaczna liczba płonących cząstek. W trakcie testu zarejestrowano maksymalną temperaturę płomienia o wartości 1371°C oraz temperaturę obudowy zewnętrznej modułu o wartości około 700°C. Średnia temperatura gazu rozkładowego wyniosła około 400°C. Obudowa modułu nie jest uszkodzona ani spuchnięta, uszkodzone są jedynie elementy wykonane z tworzywa sztucznego (fot. 2).

3. ogrzewanie modułów płytą grzewczą o mocy 5 kW

Na skutek oddziaływania promieniowania cieplnego wytworzonego przez płytę grzewczą o mocy 5 kW na spodnią część modułu LTO dochodzi do rozszczelnienia się otworów wentylacyjnych modułu i uwolnienia z pojedynczej celi dużej objętości gazów rozkładowych. Rozerwanie celi, któremu towarzyszy gwałtowny  zwarty strumień ognia powstały w wyniku zapłonu gazów, sprzyja rozprzestrzenianiu się ognia na sąsiednie cele modułu, doprowadzając do reakcji łańcuchowej (fot. 3). Powstające płomienie osiągają wysokość około 3 m. W trakcie testu zewnętrzna obudowa modułu osiągnęła temperaturę 183°C, a temperatura wewnątrz modułu mierzona bezpośrednio na ściance zewnętrznej celi wartość 336°C. Zmierzono także temperaturę płomienia oraz gazów wyrzutowych (pomiar 200 mm nad powierzchnią otworu wentylacyjnego), wyniosła ona odpowiednio 950°C oraz 300-450°C.

W trakcie podgrzewania modułu NMC za pomocą płyty grzewczej o mocy 5 kW widoczny jest znaczny wzrost jego temperatury. Temperatura obudowy zewnętrznej modułu osiągnęła wartość 730°C, temperatura ścianki zewnętrznej celi 600°C, a temperatura płomienia oraz gazów wyrzutowych (pomiar 200 mm nad powierzchnią otworu wentylacyjnego) odpowiednio 932°C i 300-450°C. W wyniku rozszczelnienia się otworu wentylacyjnego z modułu wydobywa się znaczna objętość gazu rozkładowego, który gwałtownie się zapala (fot. 4). Po chwili dochodzi do kolejnego wypływu gazów rozkładowych. Gwałtowny zapłon gazów prowadzi do rozerwania kolejnego otworu wentylacyjnego i powstania zwartego strumienia ognia. W trakcie testu dochodzi do kilku eksplozji pojedynczych cel, którym towarzyszy wypływ gazu oraz gwałtowny zapłon.

Testy gaśnicze

W trakcie testów wybrany moduł (LTO/NMC) ustawiano na poziomej stalowej płycie, podgrzewanej za pomocą palnika zasilanego propanem o mocy ok. 10 kW (fot. 5). Płomień ustawiono pod kątem 45° względem płaszczyzny płyty – ogrzewając moduł od spodu. Ze względu na optymalne efekty gaśnicze opisano scenariusz gaszenia modułów zwartym strumieniem wody z hydrantu zewnętrznego.

• moduł LTO

Działania gaśnicze zostały podjęte po  5 minutach od zaobserwowania zapłonu gazów rozkładowych wydobywających się z rozszczelnionych otworów wentylacyjnych, który obejmował powierzchnię modułu. Podczas pożaru obserwowane były płomienie osiągające od 80 do 150 cm wysokości. Na płonący moduł podawano przez 2 min zwarty strumień wody o wydatku 55 dm³/min, obserwując spadek temperatury modułu do około 20°C. Pożar ogniwa został ugaszony w czasie poniżej 2 s. Po ugaszeniu płomienia obserwowano wydzielanie się niewielkiej objętości gazów koloru białego z modułu, dynamika ich wypływu zmniejszała się w czasie (fot. 6a). Następnie temperatura modułu wzrosła do ok. 70°C, potem zaś malała do osiągnięcia temperatury otoczenia (fot. 6b). W kolejnych testach modułu LTO uzyskano zbliżone efekty gaśnicze.

• Moduł NMC

Zapłon modułu NMC nastąpił dużo szybciej niż w przypadku modułu LTO. Podczas pożaru obserwowane były płomienie od 120 do 150 cm wysokości, powstające na skutek rozszczelnienia się cel modułu. Zapłonowi gazu towarzyszył głośny, wysoki dźwięk. Na płonący moduł podawano przez 2 min zwarty strumień wody o wydatku 55 dm³/min. Pożar został ugaszony w czasie poniżej 5 s. Po ugaszeniu płomienia obserwowano wydzielanie się ograniczonej objętości gazów koloru białego z modułu, dynamika ich wypływu zwiększała się w czasie. W trakcie podawania wody doszło do rozszczelnienia się ogniw, czemu towarzyszył wybuch. Po około 5,5 min od zakończenia podawania wody doszło do rozszczelnienia się ogniwa i wyrzutu gazów powstających z rozkładającego się elektrolitu, objętość powstających gazów zwiększała się (fot. 7a). Po zakończeniu gaszenia nastąpił wzrost temperatury modułu do około 350°C (fot. 7b). Po 8 min od zakończenia działań gaśniczych podano po raz drugi wodę w celu schłodzenia modułu.

Wnioski

Moduły NMC w porównaniu z LTO palą się gwałtowniej i są trudniejsze do ugaszenia bez względu na rodzaj podejmowanych działań i użyte środki gaśnicze. W przypadku modułu NMC doszło do zjawiska thermal runaway, tj. wzrostu temperatury na skutek oddziaływania termicznego na ogniwo prowadzącego do jego destrukcji, mimo schłodzenia ogniwa do temperatury poniżej 70°C. Woda umożliwia ugaszenie pożaru modułów w ciągu kilku (LTO) lub kilkudziesięciu sekund (NMC) z widocznym efektem chłodzącym. Po ugaszeniu pożaru modułów NMC i LTO zwartym strumieniem wody nie dochodziło do ponownego zapłonu gazów.

Skuteczne gaszenie za pomocą urządzenia gaśniczego wymaga stosunkowo niewielkiej odległości dyszy od źródła ognia. Zwiększenie liczby prądów gaśniczych skraca czas ugaszenia. W przypadku pożarów modułu NMC zaobserwowano wybuchy fizyczne, odłamkowanie, co może stanowić zagrożenie dla strażaków podejmujących działania gaśnicze. Nałożenie szczelnie na moduł koca gaśniczego lub płachty wymaga zastosowania środków ochrony osobistej i obecności co najmniej dwóch przeszkolonych osób. Przykrycie płachtą wstępnie ugaszonego modułu jest skutecznym sposobem ograniczenia promieniowania cieplnego, fizycznych efektów rozszczelnienia ogniw oraz w pewnym stopniu rozprzestrzeniania się gazów. Koc gaśniczy wykonany z włóka szklanego nie wykazuje przydatności do ograniczenia efektu pożaru w przypadku modułów NMC.

Daniel Wierzbicki jest specjalistą inżynieryjno-technicznym w Zespole Laboratoriów Procesów Spalania i Wybuchowości CNBOP-PIB