Опасность возгорания литий-ионных аккумуляторов и связанные с ними исследования

Литий-ионный аккумулятор - это своего рода перезаряжаемый аккумулятор с высокими характеристиками. Литий-ионный аккумулятор отличается от «литиевого аккумулятора».

(LithiumBattery), последний из материалов анода - это диоксид марганца или тионилхлорид, а катод - это литиевая батарея в сборе без заряда после того, как резервуар имеет электричество в процессе зарядки и разрядки, чтобы вызвать внутреннее короткое замыкание аккумуляторов, литиевая кристаллизация и обычно запрещено заряжать, поэтому не должно быть литиево-ионный аккумулятор «литиевая батарея» для краткости.

Первоначальная идея использования лития в электрическом разряде возникла у американского изобретателя Эдисона в 19 веке, который предположил, что Li + MnO2 = LiMnO2 является РЕДОКС-реакцией электрического разряда. Но поскольку химические свойства лития очень живые, требования к обработке, хранению, использованию очень высоки, поэтому долгое время не использовались. В 1980-х годах компания Bell LABS успешно разработала первую перезаряжаемую литий-ионно-графитовую электродную батарею. 1991 г., SONY corp. выпустила первый коммерческий литий-ионный аккумулятор. Поскольку технология литий-ионных аккумуляторов быстро развивается, из-за высокой плотности энергии (масса и объем, чем у никель-кадмиевых или никель-металлогидридных батарей той же емкости, чтобы уменьшить более чем на 50%, плотность энергии 540 ~ 720 кДж / кг), высокое напряжение холостого хода (напряжение мономера от 3,3 В до 4,2 В, эквивалент трех серий никель-кадмиевых или никель-металлогидридных батарей), большая выходная мощность (300 ~ 1500 / кг), отсутствие загрязнения (не содержит вредных тяжелых металлов, таких как кадмий, свинец, ртуть), длительный срок службы, отсутствие эффекта памяти, быстрая зарядка, широкий диапазон рабочих температур (20 ~ 60 ℃) и другие преимущества, он широко используется в бытовой электронике, военной продукции, авиационной продукции и других областях . С быстрым развитием технологии электромобилей литий-ионный аккумулятор стал важным источником энергии для электромобилей и гибридных электромобилей. По оценкам, рынок литий-ионных аккумуляторов будет ежегодно расширяться на 20%. В 2011 году мировой рынок литий-ионных аккумуляторов достигнет 8 миллиардов долларов США, а в 2020 году достигнет 18 миллиардов долларов США.

2. Обзор пожара литий-ионной батареи

С широким применением литий-ионных аккумуляторов постепенно возрастает опасность возгорания литий-ионных аккумуляторов. Многие влиятельные пожарные аварии произошли в стране и за рубежом, и были вызваны массовые отзыва сопутствующих товаров.

2.1 пожар при использовании и транспортировке литий-ионных аккумуляторов

В 2006 году грузовой самолет DC-8 американской курьерской компании был вынужден совершить аварийную посадку после того, как в его ноутбуке загорелась батарея.

В 2010 году один из грузовых самолетов Boeing 747 разбился в Дубае из-за возгорания литий-ионных батарей. С этой целью, Федеральное авиационное управление США (FAA) неоднократно на предупреждение о безопасности процесса воздушного транспорта литий-ионных аккумуляторов, отрасль международной гражданской авиации также выдвинула строгие ограничения на транспортировку литий-ионных аккумуляторов.

2.2 полевой пожар утилизации литий-ионных аккумуляторов

7 ноября 2009 года в Трейле, Канада, произошел пожар на складе по переработке литий-ионных аккумуляторов, который стал самым серьезным из последствий такого рода пожара. Склад площадью 6500 м2, расположенный на берегу реки Колумбия в южной части Британской Колумбии, принадлежит компании TOXCOInc из Анахайма, штат Калифорния. В августе 2009 года компания получила специальный грант в размере 9,5 миллионов долларов от министерства энергетики США на разработку технологии утилизации литий-ионных аккумуляторов.

На случай пожара на складе имеется большое количество переработанных литиевых и литиево-ионных аккумуляторов, включая небольшой мобильный телефон, аккумулятор для ноутбука и аккумулятор большой мощности, используемый в электромобилях. После того, как пожар начался, он быстро перешел в стадию ожесточенного горения, и местные власти запустили региональный механизм реагирования на чрезвычайные ситуации. Пожар был настолько жестоким, и опасения, что гидроксид лития и водород вступят в реакцию с водой и заставят ее гореть еще более ожесточенно, что пожарные не стреляли большим количеством воды, а держали огонь на периферии, чтобы предотвратить его распространение. Огонь полностью погас только на следующий день, нанеся некоторый ущерб окружающей среде. Причина пожара не установлена, предполагается, что хранение литиевых батарей в складских помещениях короткое замыкание, перегрев, высокая температура, вызванная возгоранием.

2.3 пожарная опасность литий-ионных аккумуляторов для транспортных средств вызывает большое беспокойство

В качестве важной части содействия развитию новой энергетики страны придают большое значение электромобилям и технологиям гибридных транспортных средств. По оценкам, количество электромобилей в Соединенных Штатах достигнет 1 миллиона в 2015 году, а количество электромобилей, произведенных и проданных в Китае, достигнет 500000. Литий-ионные батареи - наиболее широко используемый вид энергии для электромобилей. В последние годы произошло много пожаров в электромобилях, связанных с ионно-литиевыми батареями как дома, так и за рубежом.

7 января 2010 г. в гараже автобусной компании urumqi произошел пожар на чисто электрическом автобусе, в котором смешались суперконденсатор марки «двойной электрический» и литий-ионный аккумулятор (автомобиль был сдан на хранение из-за холодной погоды. 23 декабря 2009 г. и загорелся 15 дней спустя.)

11 апреля 2011 года во время движения в Ханчжоу загорелось электрическое такси. 18 июля 2011 года чистый электрический автобус в Шанхае спонтанно воспламенился из-за перегрева литий-железо-фосфатной батареи.

С мая 2011 года потенциальная пожароопасность литий-ионных аккумуляторов для электромобилей, производимых американской автомобильной компанией, привлекла большое внимание международной автомобильной промышленности и индустрии противопожарной защиты.

Компания произвела первое в мире применение подключаемых бензиново-электрических гибридов железо-фосфатных литий-ионных аккумуляторов, проведенных Национальной администрацией безопасности дорожного движения (NHTSA) в четырех фронтальных и боковых краш-тестах, получив 5 звездочек за безопасность, но через три недели 6 июня произошел краш-тест прототипа в условиях пожара на складе, пожар в аккумуляторном отсеке. Во время столкновения аккумуляторный отсек был пробит поперечными жесткими элементами под сиденьем водителя, что привело к повреждению системы циркуляции охлаждающей жидкости литий-ионного аккумулятора, утечке жидкости, короткому замыканию и возгоранию.

В сентябре 2011 года Национальное управление безопасности дорожного движения (NHTSA) провело пятый автомобильный краш-тест, никаких отклонений не обнаружено, затем специально для литий-ионного аккумулятора автомобиля для 6-кратного теста, две группы ячеек в течение недели после краш-теста последовательно пожара, происходит третья дуговая разрядка батареи и возникновение пожара, явление перегрева контакта батареи четвертой группы, с пятью элементами появляются медленный разряд (подтвержденный после не имеет ничего общего с столкновением), 6 возгорание батареи.

В ноябре 2011 года NHTSA и министерство энергетики США официально начали расследование дефектов продукта, и в ходе трех испытаний загорелись еще два прототипа автомобиля. Этот результат побудил NHTSA начать специальное расследование литий-ионной аккумуляторной батареи этого автомобиля в 2011 году. Автомобильная компания сразу же выдвинула план улучшения по регулировке поперечных жестких компонентов для защиты аккумуляторного отсека и установила датчик уровня охлаждающей жидкости в аккумулятор, а также отозвал и реформировал более 8000 проданных автомобилей.

В декабре 2011 года автомобиль улучшенного образца прошел испытание на столкновение без каких-либо отклонений от нормы.

В январе 2012 года подкомитет надзорного комитета палаты представителей провел совместные слушания с комиссией правительства США по экономической реформе.

В марте 2012 года компания объявила о приостановке производства автомобиля на пять недель с 19 числа до 23 апреля. Сообщений о возгорании в реальных условиях эксплуатации не поступало.

3. Текущее состояние международных исследований пожарной опасности литий-ионных батарей.

До сих пор страны не разработали стандарты безопасного хранения литий-ионных батарей и процедуры пожарно-спасательных операций. Чтобы восполнить этот пробел, многие страны и организации проводят соответствующие исследования в области фундаментальной теории и прикладных технологий.

Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) давно озабочена пожарной безопасностью литий-ионных аккумуляторов. При поддержке Министерства энергетики США он провел ряд специальных исследований и программ обучения с такими учреждениями, как Американская ассоциация автомобильных инженеров (SAE), и такими предприятиями, как General Motors. 21-22 октября 2010 г. SAE и NFPA совместно провели первый саммит по стандартам безопасности электромобилей, на котором были определены три ключевые области стандартов безопасности для электромобилей и гибридных автомобилей: автомобиль, производственная среда и реагирование на чрезвычайные ситуации. Безопасность батареи была указана как главная проблема. С 27 по 28 сентября 2011 года одним из основных направлений второго саммита по стандартам безопасности электромобилей была безопасность бортовых аккумуляторов, коммерческого транспорта и аккумуляторных батарей, и были разделены шесть ключевых направлений исследований:

Пожарная опасность и безопасность аккумуляторов;

Требования к стационарным и мобильным системам пожаротушения для крупногабаритных аккумуляторов, хранящихся в промышленных масштабах; Переоценка ограничений на транспортировку аккумуляторов в сфере международных перевозок;

Опасность повторного возгорания после повреждения аккумулятора;

Средство пожаротушения, подходящее для пожара аккумуляторной батареи;

Норма разряда при нормальных и аварийных условиях.

В 2011 году исследовательское подразделение по страхованию имущества (PIRG) Фонда пожарных исследований NFPA (FPRF) начало исследование опасностей, связанных с хранением литий-ионных аккумуляторов и методами пожаротушения. На первом этапе исследования оценка риска и использования литий-ионной батареи, сформированная путем поиска в литературе, показала, что риск возгорания литий-ионной батареи в основном обусловлен ее структурой, особенно высокой плотностью энергии и газификацией электролита, вызванной высокой температура при неправильной зарядке; Между тем, короткие замыкания, перезарядка и пятна от воды, вызванные неправильной конструкцией батареи и дефектами сырья, могут стать причиной пожара. В отчете считается, что быстрое выделение энергии из-за теплового разгона является основной причиной возгорания электролита. После теплового разгона температура батареи быстро повышается, что либо напрямую приводит к взрыву горения материалов батареи, либо к взрыву, вызванному интенсивной реакцией окисления между воздухом и литием после разрыва корпуса батареи.

Из-за ограниченного количества и масштаба проведенных испытаний механизм выхода тепла в настоящее время не совсем понятен. В частности, необходимо дальнейшее изучение характеристик крупномасштабного возгорания ионно-литиевых батарей и методов пожаротушения. В августе 2011 года PIRG провела симпозиум, чтобы определить следующее направление исследований эксперимента по моделированию полномасштабного пожара. В качестве основного содержания второй фазы всего проекта исследования и эксперимент 2012 года были сосредоточены на изучении пожарной опасности двух типов литий-ионных батарей в условиях крупномасштабного хранения: один - это малогабаритные изделия, а другой. - это крупногабаритные изделия, которые можно использовать для электромобилей и других товаров. Группа по страхованию имущества будет работать с Американской пожарной ассоциацией и рассказывать о литиево-ионных батареях для хранения результатов исследований иерархий пожарной опасности и в соответствии с NFPA13 спецификациями установки автоматической спринклерной системы для проведения соответствующих испытаний, чтобы помочь Профессиональный технический комитет NFPA13 для определения места для хранения литий-ионных аккумуляторов при проектировании параметров автоматической системы пожаротушения.

В июле 2011 года NFPA запустило программу обучения технике безопасности на электромобилях для обучения аварийно-спасательных служб безопасному управлению авариями с электромобилями. Программа финансировалась за счет гранта в размере 4,4 миллиона долларов от Министерства энергетики США в соответствии с Законом США о восстановлении и реинвестировании. NFPA работает с NHTSA над разработкой процедур реагирования на чрезвычайные ситуации для электромобилей и гибридных электромобилей с участием крупнейших мировых производителей автомобилей. На данный момент в рамках программы обучено около 800 инструкторов в 20 штатах, и более 15 000 человек записались на онлайн-обучение по безопасности электромобилей. NFPA стремится к участию в обучении сотрудников служб экстренной медицинской помощи и правоохранительных органов.

В качестве научно-исследовательского института, специализирующегося на показателях безопасности бытовых товаров и промышленных товаров, Институт промышленной среды и риска (INERIS) во Франции в 2010 году учредил научно-исследовательский институт электрохимического накопления энергии для электромобилей (STEEVE) с целью дальнейшего изучения производительность литий-ионных батарей, особенно, чтобы понять механизм пожара. Исследователи агентства считают, что полномасштабные разрушающие испытания необходимы, чтобы по-настоящему понять опасность возгорания литий-ионных батарей и определить соответствующие меры безопасности. STEEVE планирует представить свой последний исследовательский отчет на симпозиуме по защите складов высокого риска в Париже 27 июня 2012 г. с целью проанализировать пожарный риск товаров высокого риска в складских помещениях и предложить новые меры противопожарной безопасности.

В последние годы в нашей стране было проведено «исследование механизма термической опасности литий-ионных аккумуляторов по мутации и динамике взрыва» с целью выявления материалов литий-ионных аккумуляторов и их взаимных кинетических и термодинамических свойств, использования химической кинетики, кинетики термического анализа. , теория теплового самовозгорания, теория мутаций, изучить типичный закон тепловыделения литий-ионной батареи, анализ внутренней мутации взрыва литий-ионной батареи, для разработки литий-ионной батареи, чтобы обеспечить необходимую научную основу и техническую поддержку, чтобы предотвратить пожары литий-ионных аккумуляторов имеют важное теоретическое и практическое значение.

В последние годы китайские ученые провели соответствующие исследования термической опасности материалов литий-ионных аккумуляторов, механизма теплового разгона литий-ионных аккумуляторов и огнестойкой технологии электролита для предотвращения теплового разгона литий-ионных аккумуляторов. Термическая стабильность обычного электролита литий-ионных аккумуляторов, термическая стабильность материалов анода и катода при различных состояниях зарядки, а также термическая стабильность между электролитом и анодом и катодом были подробно изучены с использованием микрокалориметра C80 и другого оборудования. Результаты показывают, что сильное действие кислоты Льюиса PF5 в электролите является основным фактором снижения термической стабильности электролита. Термическая стабильность LixCOo2 и его системы сосуществования с электролитом снижается с увеличением степени электрического заряда, в то время как степень имплантации лития мало влияет на термическую стабильность системы сосуществования электролита и LixC6. На этой основе раскрыты динамические и термодинамические свойства материалов литий-ионных аккумуляторов и их взаимодействия.

Исследователи из области исследования динамики пожара, комплексного использования теории теплового взрыва, кинетики химических реакций и теории термодинамики, сочетая термоэлектрическую связь между материалами литий-ионных аккумуляторов и их термодинамикой химических реакций и кинетическими характеристиками экспериментального исследования, лития анализируются ионные аккумуляторы, возможность возгорания и взрыва, предлагается теория пожарного треугольника литий-ионных аккумуляторов и теория взрыва аккумуляторов Семенова. На основе теории мутаций был проанализирован процесс взрыва литий-ионного аккумулятора, и мутация «ласточкин хвост» была успешно получена. В этом исследовании соединение теории пожарной науки, теории электрохимии и теории мутаций полностью раскрыло основной закон неконтролируемого теплового взрыва литий-ионной батареи.

Исследования показали, что причиной теплового неуправляемого тепла в основном является тепло внутренней химической реакции, на основании этого лабораторная система для изучения трех изопропилбензолэфирфосфата (IPPP) и толуолдифенилфосфатного эфира (CDP) и т. Д.) В виде лития. огнестойкие добавки ионной батареи для электролита батареи, положительные, отрицательные и целые характеристики элемента и закон влияния термостабильности, а также выдвинутые антипирены ингибируют внутренний механизм теплового разгона. Исследования показали, что добавление IPPP и CDP может не только эффективно повысить безопасность литий-ионной батареи, но также оказать небольшое влияние на электрохимические характеристики всей батареи, тем самым обеспечивая способ повышения безопасности литий-ионной батареи. Вышеупомянутые исследования обеспечивают необходимую научную основу и техническую поддержку для разработки литий-ионных аккумуляторов и имеют важное теоретическое и практическое значение для предотвращения возгорания и взрыва литий-ионных аккумуляторов.

4. Резюме

с расширением применения литий-ионных аккумуляторов, особенно в области применения в электромобилях литий-ионных аккумуляторов большой емкости, значительно увеличится количество аварий с возгоранием литий-ионных аккумуляторов, которые будут проводиться в отношении пожарной опасности фундаментальных исследований, для разработки безопасного использования, транспортировка, переработка литий-ионных аккумуляторов, стандарты и процедуры, а также исследования технологий пожаротушения для проведения эффективных и практичных.

Страница содержит содержимое машинного перевода.