با ظهور و محبوبیت باتری‌های لیتیوم-یونی به عنوان منبع انرژی در دهه گذشته، نگرانی‌های فزاینده‌ای در مورد ایمنی این باتری‌ها در برابر آتش‌سوزی به وجود آمده است. از وسایل الکترونیکی خانگی روزمره مانند لپ‌تاپ‌ها، تلفن‌های همراه و تبلت‌ها گرفته تا سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ و وسایل نقلیه الکتریکی (EV)، باتری‌های لیتیوم-یونی به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند و در صورت وقوع آتش‌سوزی، خاموش کردن این نوع آتش‌ها می‌تواند بسیار دشوار باشد.
این مقاله راهنمایی و توصیه‌هایی را در مورد علل آتش‌سوزی باتری‌های لیتیوم-یونی و چگونگی کنترل موفق این نوع نوع آتش سوزی ارائه می‌دهد.
چه عواملی باعث آتش‌سوزی باتری‌های لیتیوم-یونی می‌شوند؟
مانند بسیاری از فناوری‌های دیگر که به‌طور معمول انرژی را تبدیل، ذخیره و مصرف می‌کنند، احتمال کمی برای نقص عملکرد وجود دارد که در مورد باتری‌های لیتیوم-یونی ممکن است در اثر آسیب فیزیکی یا قرار گرفتن در معرض گرما رخ دهد. اگرچه احتمال آتش‌سوزی باتری لیتیوم-یونی بسیار نادر است، اما شرایط نامطلوب می‌تواند منجر به آتش‌سوزی شود.
آتش‌سوزی باتری‌های لیتیوم-یونی معمولاً در اثر واکنش زنجیره‌ای معروف به گریز حرارتی (Thermal Runaway) رخ می‌دهد. این واکنش زمانی اتفاق می‌افتد که یک سلول باتری لیتیوم-یونی گرمای بیشتری نسبت به مقدار دفع‌شده تولید کند. این باتری‌ها حاوی مواد قابل اشتعال، از جمله الکترولیت‌های قابل اشتعال هستند که در طول “فرار حرارتی” به گازهای قابل اشتعال و سمی مختلف، همراه با مقداری اکسیژن، تجزیه می‌شوند و می‌توانند منجر به آتش‌سوزی یا انفجار شوند.
فرار حرارتی می‌تواند به دلایل مختلفی ایجاد شود، از جمله:
- نقص عملکرد ناشی از آسیب فیزیکی به سلول‌های باتری، مانند آسیب‌هایی که باعث اتصال کوتاه می‌شوند.
- قرار گرفتن در معرض گرمای زیاد از یک منبع خارجی.
- نقص‌های تولیدی و شارژ بیش از حد.
از آنجایی که باتری‌های لیتیوم-یونی در هنگام “فرار حرارتی” اکسیژن مورد نیاز حریق را تولید می‌کنند، آتش‌سوزی ناشی از آن‌ها یا یک باتری در حال سوختن، کنترل آن را بسیار دشوار می‌کند. به همین دلیل، درک چگونگی مهار این آتش‌ها در صورت وقوع حادثه ضروری است.
چگونه باید آتش‌سوزی باتری‌های لیتیوم-یونی را خاموش کرد؟
آتش‌سوزی‌های باتری لیتیوم-یونی به عنوان آتش‌های کلاس B طبقه‌بندی می‌شوند، مشابه با حریق در مایعات قابل اشتعال. علت این دسته بندی نیز وجود الکترولیت‌های مایع در این باتری‌ها است که وظیفه‌ی ایجاد مسیر رسانای یون در داخل سلول را ایفا می‌کند. به طور معمول، تنها راه کنترل این آتش‌ها استفاده از مقادیر زیادی آب برای خنک کردن سلول‌های باتری است.
برای آتش‌سوزی‌های کوچک باتری لیتیوم-یونی، کپسول‌های آتش‌نشانی ویژه‌ای در دسترس هستند که می‌توانند مستقیماً روی سلول‌های باتری اعمال شوند تا هم گرما را کاهش داده و هم اکسیژن را محدود کنند. هدف این روش، کنترل آتش و کاهش دما به زیر سطحی است که امکان اشتعال مجدد وجود نداشته باشد. همچنین، برخی سیستم‌های خفه‌کننده آتش، مانند پتوهای ضدحریق مخصوص و دانه‌های مخصوص مهار آتش، در دسترس هستند تا به کنترل آتش‌سوزی‌های باتری‌های لیتیوم-یونی کمک کنند.
در آتش‌سوزی‌هایی که شامل چیدمان‌های بزرگ باتری‌های لیتیوم-یونی هستند، مانند پک باتری که شامل صدها سلول متصل به یکدیگر که در وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می‌شوند، معمولاً تنها راه مهار و خاموش کردن آتش استفاده از مقادیر زیادی آب توسط نیروهای امداد و نجات برای مدت طولانی است.
استفاده از آب
در برخی موارد، ممکن است لازم باشد که آب خنک‌کننده برای چندین ساعت یا حتی چند روز پس از خاموش شدن آتش ادامه یابد تا از اشتعال مجدد جلوگیری شود. همچنین، خدمات آتش‌نشانی ممکن است از پتوهای مخصوص ضدحریق خودرو برای کنترل آتش‌سوزی خودروهای الکتریکی (EV) استفاده کنند.
به عنوان مثال، شرکت تسلا به طور رسمی بیان کرده است که خاموش کردن آتش باتری در یک خودروی برقی می‌تواند به 11000 لیتر آب و تا ۲۴ ساعت زمان نیاز داشته باشد. در برخی موارد، اجازه دادن به سوختن باتری در حالی که از محیط اطراف محافظت می‌شود، می‌تواند یک گزینه باشد. در عین حال تولید گازهای سمی مانند مونوکسید کربن و گاز هیدروژن فلورید ناشی از تجزیه‌ی الکترولیت و مواد کاتدی باتری، می‌تواند به خطری دیگر برای افراد حاضر در محیط بخصوص در فضاهای بسته تبدیل شود.
در آزمایش‌های شرکت تسلا، مشخص شد که در خودروهایی که حریق در بخش باتری را تجربه کرده‌اند، حتی پس از اطفای کامل آن، پس از ۲۲ ساعت امکان ایجاد آتش‌سوزی مجدد وجود دارد. یکی از راه‌های مهار آتش‌سوزی در خودروهایی برقی، جداسازی سیستم‌های الکتریکی موجود از باتری است. در خودروی Model 3 دو “حلقه قطع“ جریان وجود دارد که در زمان حریق با جداسازی آن می‌توان سیستم ولتاژ بالا را غیرفعال کرده و سیستم ایمنی کمکی و اجزای ایربگ را از کار بیندازند.
کپسول آتش‌نشانی کلاس D
کپسول‌های کلاس D حاوی پودری هستند که برای خاموش کردن آتش‌های ناشی از فلزات قابل اشتعال طراحی شده است. اغلب سلول‌های باتری لیتیوم-یونی بر خلاف نامشان حاوی لیتیوم در حالت فلزی نیستند، که این امر باعث می‌شود کپسول‌های کلاس D در خاموش کردن آن‌ها بی‌اثر باشند. علاوه بر این، به دلیل ساختار پک باتری، قرارگیری آن‌ها در کف خودرو و سرعت خرابی سلول‌ها، امکان انتقال پودر مستقیماً به سلول‌های در حال سوختن وجود ندارد.
نازل پنکیک
این نازل‌ها به‌طور خاص طراحی شده‌اند تا به زیر خودرو سر بخورند و آب خنک‌کننده را به پایین جعبه باتری بپاشند. هدف این فرآیند، خنک‌کردن جعبه باتری و متوقف کردن فرار حرارتی (thermal runaway) است. متأسفانه، خاموش کردن آتش در باتری ولتاژ بالا به مقدار زیادی آب نیاز دارد که باید به‌صورت مداوم جریان یابد. این آب باید به داخل جعبه باتری نفوذ کرده و مستقیماً سلول‌های باتری را خنک کند. با این حال، طراحی ساختار باتری و لایه‌های متعدد بین قسمت زیرین خودرو و سلول‌های باتری، احتمالاً باعث بی‌اثر شدن این نازل‌ها خواهد شد.
پتو ضد حریق
پتوهای ضد حریق معمولاً برای خفه‌کردن آتش و جلوگیری از رسیدن اکسیژن به آن استفاده می‌شوند. اما از آنجایی که آتش باتری‌های لیتیوم-یونی برای سوختن به اکسیژن محیط نیاز ندارد، استفاده از پتو برای خاموش کردن آتش بی‌اثر خواهد بود. با این حال، این پتوها می‌توانند برای کنترل آتش و محافظت از محیط اطراف استفاده شوند.
اما باید احتیاط کرد؛ زیرا سلول‌های باتری گازهای سمی و قابل اشتعال مانند هیدروژن و هیدروژن فلوراید تولید می‌کنند که ممکن است زیر پتو به دام بیفتند. هنگام برداشتن پتو، این گازها آزاد شده و می‌توانند باعث یک آتش‌سوزی ناگهانی شوند. همچنین، قرار گرفتن در معرض هیدروژن فلوراید می‌تواند باعث آسیب دائمی به ریه‌ها و چشم‌ها شود.
نازل سوراخ‌کننده (Piercing Nozzle)
این نازل‌ها برای سوراخ کردن جعبه باتری و رساندن حجم زیادی از آب به داخل آن طراحی شده‌اند تا سلول‌های باتری را خنک کنند. اما این روش بسیار خطرناک است زیرا احتمال برق‌گرفتگی وجود دارد. علاوه بر این، سوراخ‌کردن جعبه باتری ممکن است باعث خرابی بیشتر سلول‌های باتری شود، زیرا ممکن است برخی از سلول‌ها تحت فشار قرار گرفته یا مدارهای داخلی اتصال کوتاه شوند.
برخی از این نازل‌ها ممکن است از راه دور فعال شوند، اما در نهایت آتش‌نشانان باید نازل را از خودرو خارج کنند که خود می‌تواند خطرناک باشد. علاوه بر این، بسیاری از جعبه‌های باتری دارای تقویت‌کننده‌های فلزی هستند که امکان نفوذ را دشوار می‌کند. در برخی موارد، داخل جعبه‌های باتری با فوم پلی‌اورتان پر شده است، که مانع از جریان یافتن آب در داخل جعبه می‌شود.
مؤثرترین روش: اجازه دهید باتری بسوزد!
واقعیت این است که هیچ ابزار یا روش ساده‌ای برای توقف فرار حرارتی در باتری‌های ولتاژ بالای خودروهای الکتریکی وجود ندارد. بهترین روش، خنک کردن مستقیم سلول‌های باتری است، اما خودروسازان دسترسی مستقیم آتش‌نشانان به داخل جعبه باتری را فراهم نمی‌کنند. تلاش برای خنک کردن باتری از بیرون فقط زمان عملیات را افزایش می‌دهد. این روش ایده‌آل نیست، اما تنها راه مؤثر است. باتری معمولاً حداکثر در عرض یک ساعت خود را می‌سوزاند. در غیر این صورت، آتش‌نشانان مجبور خواهند شد ۶ تا ۸ ساعت مداوم آب روی خودرو بریزند، که روشی پرهزینه و ناکارآمد است.
پک باتری و فوم عایق
در نهایت می‌توان گفت که علی‌رغم استفاده از سازوکارهای متنوع برای جلوگیری از آتش سوزی در باتری‌ها مانند استفاده از فوم‌های عایق حرارتی، جداسازی سلول‌های معیوب از مدار بصورت اتوماتیک و وجود روش‌های خنک کننده‌ی پک باتری، فرآیند اطفای حریق در خودروهای برقی نیاز به تحقیقات بیشتر دارد. بعلاوه باید در فرآیند طراحی پک‌ها و همچنین محل قرارگیری آن‌ها در خودرو بصورت پیش‌فرض راه‌هایی برای مقابله با آتش در نظر گرفت اما تا کنون چنین مواردی در طراحی کمتر مورد توجه بوده‌اند.
برای ارجاع به منابع، کلیک نمایید.
- مرجع 1
- مرجع 2
بیشتر بخوانید:
- حفاظت از بازار 3.5 تریلیون دلاری باتری در برابر آتش‌سوزی – شبکه باتری نانو ایران
- الکترولیت گازی راه حلی نوین برای باتری لیتیومی – شبکه باتری نانو ایران
