הבטיחות של סוללות ליתיום תמיד היוותה דאגה בתעשייה. בשל מבנה החומר המיוחד וסביבת ההפעלה המורכבת שלהם, ברגע שמתרחשת תאונת שריפה, היא תגרום לנזק לציוד, לאובדן רכוש ואף לנפגעים. לאחר שמתרחשת שריפה של סוללת ליתיום, הסילוק קשה, לוקח זמן רב, ולעיתים כרוך ביצירת כמות גדולה של גזים רעילים. לכן, כיבוי אש בזמן יכול לשלוט ביעילות על התפשטות האש, למנוע שריפה נרחבת, ולספק יותר זמן לצוות להימלט.

במהלך תהליך הבריחה התרמי של סוללות ליתיום-יון מתרחשים לעתים קרובות עשן, אש ואפילו פיצוץ. לכן, השליטה בבעיית הבריחה והדיפוזיה התרמית הפכה לאתגר העיקרי שעמו מתמודדים מוצרי סוללת ליתיום בתהליך השימוש. בחירה נכונה של טכנולוגיית כיבוי אש יכולה למנוע התפשטות נוספת של בריחת סוללה תרמית, שיש לה משמעות רבה לדיכוי התרחשות השריפה.

מאמר זה יציג את המטפים ומנגנוני הכיבוי המרכזיים הקיימים כיום בשוק, וינתח את היתרונות והחסרונות של סוגים שונים של מטפים.

סוגי מטפים

נכון להיום, המטפים בשוק מתחלקים בעיקר למטפי גז, מטפים על בסיס מים, מטפי אירוסול ומטפי אבקה יבשה. להלן היכרות עם הקודים והמאפיינים של כל סוג של מטף.

פרפלואורוהקסאן: Perfluorohexane נרשם במלאי PFAS של ה-OECD וה-EPA של ארה"ב. לכן, השימוש ב-perfluorohexane כחומר לכיבוי אש צריך לעמוד בחוקים ובתקנות המקומיים ולתקשר עם סוכנויות רגולטוריות סביבתיות. מכיוון שהתוצרים של פרפלואורוהקסאן בפירוק תרמי הם גזי חממה, הוא אינו מתאים לריסוס מתמשך ארוך טווח, במינון גדול. מומלץ להשתמש בו בשילוב עם מערכת התזת מים.

טריפלואורומתאן:חומרי טריפלואור-מתאן מיוצרים רק על ידי יצרנים מעטים, ואין תקנים לאומיים ספציפיים המסדירים סוג זה של חומרי כיבוי אש. עלות התחזוקה גבוהה ולכן השימוש בו אינו מומלץ.

Hexafluoropropane:חומר כיבוי זה נוטה להזיק למכשירים או לציוד במהלך השימוש, ופוטנציאל ההתחממות הגלובלית שלו (GWP) גבוה יחסית. לכן, hexafluoropropane יכול לשמש רק כחומר מעבר לכיבוי אש.

Heptafluoropropane:בשל אפקט החממה, הוא מוגבל בהדרגה על ידי מדינות שונות ויעמוד בפני חיסול. נכון לעכשיו, תרופות ההפטאפלואורופרופן הופסקו, מה שיוביל לבעיות במילוי מחדש של מערכות heptafluoropropane הקיימות במהלך תחזוקה. לכן, השימוש בו אינו מומלץ.

גז אינרטי:כולל IG 01, IG 100, IG 55, IG 541, ביניהם IG 541 נמצא בשימוש נרחב יותר ומוכר בינלאומי כחומר כיבוי ירוק וידידותי לסביבה. עם זאת, יש לו את החסרונות של עלות בנייה גבוהה, ביקוש גבוה לבלוני גז ותפוסת שטח גדולה.

סוכן על בסיס מים:מטפי ערפל מים עדינים נמצאים בשימוש נרחב, ויש להם את אפקט הקירור הטוב ביותר. זה בעיקר בגלל שלמים יש קיבולת חום ספציפית גדולה, שיכולה לספוג במהירות כמות גדולה של חום, לקרר את החומרים הפעילים שלא הגיבו בתוך הסוללה ובכך למנוע עלייה נוספת בטמפרטורה. עם זאת, מים גורמים נזק משמעותי לסוללות ואינם מבודדים, מה שמוביל לקצרים בסוללה.

תַרסִיס:בשל הידידותיות הסביבתית, חוסר הרעילות, העלות הנמוכה והתחזוקה הקלה שלו, אירוסול הפך לחומר הכיבוי המיינסטרימי. עם זאת, התרסיס הנבחר צריך להתאים לתקנות האו"ם ולחוקים ותקנות מקומיים, ונדרשת אישור מוצר לאומי מקומי. עם זאת, אירוסולים חסרים יכולות קירור, ובמהלך היישום שלהם, טמפרטורת הסוללה נשארת גבוהה יחסית. לאחר שחומר הכיבוי מפסיק להשתחרר, הסוללה נוטה להתלקח מחדש.

יעילות חומרי כיבוי אש

מעבדת המפתח של המדינה למדעי האש באוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין ערכה מחקר שהשווה את השפעות כיבוי האש של אבקה יבשה ABC, heptafluoropropane, מים, perfluorohexane ו-CO2 על סוללת ליתיום-יון 38A.

השוואת תהליכי כיבוי אש

אבקה יבשה של ABC, heptafluoropropane, מים ופרfluorohexane יכולים כולם לכבות במהירות שריפות בסוללה ללא הדלקה מחדש. עם זאת, מטפי CO2 אינם יכולים לכבות ביעילות שריפות סוללות ועלולים לגרום להתלקחות מחדש.

השוואה בין תוצאות כיבוי אש

לאחר בריחת תרמית, ניתן לחלק באופן גס את ההתנהגות של סוללות ליתיום תחת פעולת חומרי כיבוי לשלושה שלבים: שלב הקירור, שלב עליית הטמפרטורה המהירה ושלב ירידת הטמפרטורה האיטית.

השלב הראשוןהוא שלב הקירור, שבו הטמפרטורה של משטח הסוללה יורדת לאחר שחרור חומר הכיבוי. זה נובע בעיקר משתי סיבות:

• אוורור סוללה: לפני הבריחה התרמית של סוללות ליתיום-יון, כמות גדולה של אלקנים וגז CO2 מצטברת בתוך הסוללה. כשהסוללה מגיעה לגבול הלחץ שלה, שסתום הבטיחות נפתח ומשחרר גז בלחץ גבוה. גז זה מעביר את החומרים הפעילים בתוך הסוללה תוך שהוא מספק אפקט קירור כלשהו לסוללה.
• השפעת חומר הכיבוי: השפעת הקירור של מטף האש מגיעה בעיקר משני חלקים: ספיגת החום בזמן שינוי פאזה ואפקט הבידוד הכימי. ספיגת חום בשינוי שלב מסירה ישירות את החום שנוצר על ידי הסוללה, בעוד שאפקט הבידוד הכימי מפחית בעקיפין את יצירת החום על ידי הפסקת תגובות כימיות. למים יש את השפעת הקירור המשמעותית ביותר בגלל יכולת החום הסגולית הגבוהה שלהם, המאפשרת להם לספוג כמות גדולה של חום במהירות. Perfluorohexane לאחר מכן, בעוד HFC-227ea, CO2, ואבקה יבשה ABC אינם מציגים השפעות קירור משמעותיות, הקשורות לאופי ולמנגנון של חומרי הכיבוי.

השלב השני הוא שלב עליית הטמפרטורה המהירה, שבו טמפרטורת הסוללה עולה במהירות מערכה המינימלי לשיא. מכיוון שמטפי כיבוי אינם יכולים לעצור לחלוטין את תגובת הפירוק בתוך הסוללה, ולרוב חומרי הכיבוי יש השפעות קירור גרועות, טמפרטורת הסוללה מציגה מגמת עלייה כמעט אנכית עבור מטפי כיבוי שונים. תוך תקופה קצרה, הטמפרטורה של הסוללה עולה לשיאה.

בשלב זה קיים הבדל משמעותי ביעילותם של מטפי כיבוי שונים בבלימת עליית טמפרטורת המצבר. היעילות בסדר יורד היא מים > perfluorohexane > HFC-227ea > אבקה יבשה ABC > CO2. כאשר טמפרטורת הסוללה עולה לאט, היא מספקת יותר זמן תגובה להתרעה על שריפה בסוללה ויותר זמן תגובה למפעילים.

מַסְקָנָה

1. CO2: לכיבוי אש כמו CO2, הפועלים בעיקר על ידי חנק ובידוד, יש השפעות מעכבות גרועות על שריפות סוללות. במחקר זה, התרחשו תופעות התלקחות קשות עם CO2, מה שהופך אותו לא מתאים לשריפות של סוללות ליתיום.
2. ABC Dry Powder / HFC-227ea: אבקה יבשה של ABC ו-HFC-227ea מטפי כיבוי, הפועלים בעיקר באמצעות בידוד ודיכוי כימי, יכולים לעכב חלקית את תגובות השרשרת בתוך הסוללה במידה מסוימת. יש להם אפקט קצת יותר טוב מ-CO2, אך מכיוון שהם חסרים השפעות קירור ואינם יכולים לחסום לחלוטין תגובות פנימיות בסוללה, הטמפרטורה של הסוללה עדיין עולה במהירות לאחר שחרור חומר הכיבוי.
3. Perfluorohexane: Perfluorohexane לא רק חוסם תגובות סוללה פנימיות אלא גם סופג חום באמצעות אידוי. לכן, השפעתו המעכבת על שריפות סוללות טובה משמעותית משאר מטפי האש.
4. מים: מבין כל חומרי הכיבוי, למים יש את השפעת הכיבוי הברורה ביותר. זה בעיקר בגלל שלמים יש קיבולת חום ספציפית גדולה, המאפשרת להם לספוג במהירות כמות גדולה של חום. זה מקרר את החומרים הפעילים שלא הגיבו בתוך הסוללה, ובכך מונע עלייה נוספת בטמפרטורה. עם זאת, מים גורמים נזק משמעותי לסוללות ואין להם אפקט בידוד, ולכן יש להיזהר בשימוש בהם.

במה עלינו לבחור?

סקרנו את מערכות ההגנה מפני אש המשמשות מספר יצרני מערכות אחסון אנרגיה הקיימים כיום בשוק, בעיקר תוך שימוש בפתרונות הכיבוי הבאים:

• פרפלואורוהקסאן + מים
• אירוסול + מים

אפשר לראות את זהחומרי כיבוי סינרגטיים הם המגמה המרכזית של יצרני סוללות ליתיום. אם ניקח לדוגמה את Perfluorohexane + Water, Perfluorohexane יכול לכבות במהירות להבות פתוחות, מה שמקל על מגע של ערפל מים עדין עם הסוללה, בעוד ערפל מים עדין יכול לקרר אותה ביעילות. לפעולה שיתופית יש השפעות כיבוי וקירור אש טובות יותר בהשוואה לשימוש בחומר כיבוי יחיד. נכון לעכשיו, תקנת הסוללות החדשה של האיחוד האירופי מחייבת תוויות סוללות עתידיות לכלול חומרי כיבוי זמינים. היצרנים צריכים גם לבחור את חומר הכיבוי המתאים על סמך המוצרים שלהם, התקנות המקומיות והיעילות שלהם.