Riesgo de incendio de las baterías de iones de litio y el progreso de la investigación relacionada

Lithium-ionBattery es un tipo de batería recargable de alto rendimiento. La batería de iones de litio es diferente de la "batería de litio"

(batería de litio), el último de los materiales del ánodo es dióxido de manganeso o cloruro de tionilo, y el cátodo es un conjunto de batería de litio sin carga después de que la finalización del depósito tenga electricidad, en el proceso de carga y descarga del ciclo para causar baterías internas de cortocircuito, cristalización de litio y por lo general está prohibido cargar, por lo tanto, no debe ser una batería de iones de litio "batería de litio" para abreviar.

La idea original de usar litio en descargas eléctricas se originó en el inventor estadounidense Edison en el siglo XIX, quien propuso que Li + MnO2 = LiMnO2 es la reacción REDOX de descarga eléctrica. Pero debido a que las propiedades químicas del litio son muy vivas, el procesamiento, el almacenamiento y el uso de los requisitos son muy altos, por lo que durante mucho tiempo no se ha utilizado. En la década de 1980, bell LABS desarrolló con éxito la primera batería de electrodo de grafito de iones de litio recargable. 1991 SONY corp. lanzó la primera batería comercial de iones de litio. Desde el rápido desarrollo de la tecnología de baterías de iones de litio, debido a la alta densidad de energía (masa y volumen que las baterías de níquel cadmio o hidruro metálico de níquel de la misma capacidad para reducir más del 50%, la densidad de energía de 540 ~ 720 kj / Kg), Alto voltaje de circuito abierto (voltaje de monómero de 3.3 V a 4.2 V, el equivalente a tres series de baterías de níquel cadmio o hidruro metálico de níquel), gran potencia de salida (300 ~ 1500 / Kg), sin contaminación (no contienen metales pesados nocivos tales como cadmio, plomo, mercurio), ciclo de vida alto, sin efecto memoria, carga rápida, amplio rango de temperatura de trabajo (20 ~ 60 ℃) y otras ventajas, es ampliamente utilizado en electrónica de consumo, productos militares, productos de aviación y otros campos. . Con el rápido desarrollo de la tecnología de vehículos eléctricos, la batería de iones de litio se ha convertido en una importante fuente de energía para vehículos eléctricos y vehículos eléctricos híbridos. Se estima que el mercado de baterías de iones de litio se expandirá un 20% cada año. En 2011, el mercado mundial de baterías de iones de litio alcanzará los 8 mil millones de dólares y los 18 mil millones de dólares en 2020.

2. Descripción general del incendio de la batería de iones de litio

Con la amplia aplicación de las baterías de iones de litio, ha surgido gradualmente el riesgo de incendio de las baterías de iones de litio. Se han producido muchos accidentes de incendio influyentes en el país y en el extranjero, y se han desencadenado retiradas a gran escala de productos relacionados.

2.1 fuego en el campo del uso y transporte de baterías de iones de litio

En 2006, un avión de carga dc-8 de una compañía de expresos estadounidense se vio obligado a realizar un aterrizaje de emergencia después de que la batería de su computadora portátil se incendiara.

En 2010, uno de sus aviones de carga Boeing 747 se estrelló en Dubai después de que sus baterías de iones de litio se incendiaran. Con este fin, la administración federal de aviación de los Estados Unidos (FAA) repetidamente en la advertencia de seguridad del proceso de transporte aéreo de la batería de iones de litio, la industria de la aviación civil internacional también ha presentado restricciones estrictas sobre el transporte de la batería de iones de litio.

2.2 incendio de campo de reciclaje de baterías de iones de litio

El 7 de noviembre de 2009 en Trail, Canadá, el incendio del almacén de reciclaje de baterías de iones de litio es el mayor impacto de este tipo de accidente de incendio. El almacén de 6.500 m2, ubicado a orillas del río Columbia en el sur de la Columbia Británica, es propiedad de TOXCOInc, con sede en Anaheim, California. En agosto de 2009, la empresa recibió una subvención especial de $ 9,5 millones del departamento de energía de EE. UU. Para desarrollar tecnología de reciclaje para baterías de iones de litio.

En caso de incendio, el almacén cuenta con una gran cantidad de batería de litio reciclada y batería de iones de litio, que incluye un pequeño teléfono móvil, una batería de computadora portátil y una batería de alta potencia utilizada en automóviles eléctricos. Después de que estalló el incendio, rápidamente entró en la etapa de quema feroz y el gobierno local lanzó el mecanismo de enlace de respuesta de emergencia regional. El fuego era tan feroz, y el temor de que el hidróxido de litio y el hidrógeno reaccionaran con el agua para hacer que se quemara aún más ferozmente, que los bomberos no dispararon mucha agua, sino que mantuvieron el fuego en la periferia para evitar que se propagara. El fuego no se apagó por completo hasta la tarde siguiente, lo que provocó algunos daños al medio ambiente local. No se ha determinado la causa del incendio, se estima que el almacenamiento de baterías de litio en el almacén cortocircuito sobrecalentamiento, alta temperatura provocada por combustión.

2.3 el peligro de incendio de la batería de iones de litio para vehículos es motivo de gran preocupación

Como parte importante de la promoción del desarrollo de nuevas energías, los países otorgan gran importancia a los vehículos eléctricos y la tecnología de vehículos híbridos. Se estima que el número de vehículos eléctricos en Estados Unidos llegará a 1 millón en 2015, y el número de vehículos eléctricos producidos y vendidos en China llegará a 500.000. Las baterías de iones de litio son la forma de energía más utilizada para los vehículos eléctricos. En los últimos años, ha habido muchos incendios de vehículos eléctricos relacionados con baterías de iones de litio en el país y en el extranjero.

El 7 de enero de 2010, se produjo un incendio en el garaje de la empresa de autobuses urumqi en un autobús eléctrico puro con una marca de supercondensador "eléctrico dual" y una batería de iones de litio mezclada (el coche se guardó debido al frío el 23 de diciembre de 2009 y se incendió 15 días después).

El 11 de abril de 2011, un taxi eléctrico se incendió mientras conducía en Hangzhou. El 18 de julio de 2011, un autobús eléctrico puro en Shanghai se encendió espontáneamente debido al sobrecalentamiento de su batería de fosfato de hierro y litio.

Desde mayo de 2011, el riesgo potencial de incendio de la batería de iones de litio para vehículos eléctricos producidos por una empresa automotriz estadounidense ha atraído gran atención de la industria automotriz internacional y la industria de protección contra incendios.

La producción de la compañía de la primera aplicación en el mundo de híbridos eléctricos-gasolina enchufables con batería de iones de litio y fosfato de hierro, realizada por la Administración Nacional de Seguridad del Tráfico en Carreteras (NHTSA) en cuatro pruebas de choque frontal y lateral, obtuvo una calificación de seguridad de 5 estrellas, pero tres semanas después el 6 de junio, un prototipo de prueba de choque dentro del incendio del almacén, el incendio en el compartimento de la batería. Durante la colisión, el compartimento de la batería fue penetrado por los componentes rígidos transversales debajo del asiento del conductor, lo que provocó daños en el sistema de circulación del refrigerante de la batería de iones de litio, fugas de líquido, cortocircuito e incendio.

En septiembre de 2011, la NHTSA llevó a cabo el 5 de la prueba de choque automovilístico sin encontrar anomalías, luego específicamente para el paquete de baterías de iones de litio del vehículo para la prueba de 6 veces, dos grupos de celdas dentro de una semana después del incendio de la prueba de choque sucesivamente, el Se produce la descarga del tercer arco de la batería y se genera un incendio, el fenómeno de sobrecalentamiento del contacto de la batería del cuarto grupo, con cinco celdas aparece una descarga lenta (confirmado después de que no tiene nada que ver con la colisión), 6 incendio de la batería.

En noviembre de 2011, la NHTSA y el departamento de energía de EE. UU. Iniciaron oficialmente una investigación de defectos de producto en el vehículo, y en tres pruebas, dos vehículos prototipo más se incendiaron. Este resultado llevó a la NHTSA a lanzar una investigación especial sobre el paquete de baterías de iones de litio de este automóvil en 2011. La compañía automotriz presentó de inmediato el plan de mejora para ajustar los componentes rígidos transversales para proteger el compartimiento de la batería e instaló el sensor de nivel de líquido refrigerante en el paquete de baterías, y se retiraron del mercado y reformaron más de 8.000 vehículos vendidos.

En diciembre de 2011, el coche de muestra mejorado pasó la prueba de colisión sin ninguna anomalía.

En enero de 2012, un subcomité del comité de supervisión de la Cámara de Representantes celebró una audiencia conjunta con la comisión de reforma económica del gobierno de EE. UU.

En marzo de 2012, la compañía anunció que suspendería la producción del automóvil durante cinco semanas desde el 19 del mes hasta el 23 de abril. No ha habido informes de incendios en uso real.

3. Estado actual de los estudios internacionales sobre el riesgo de incendio de las baterías de iones de litio

Hasta ahora, los países no han desarrollado estándares de almacenamiento de seguridad para baterías de iones de litio y procedimientos de operaciones de rescate en caso de incendio. Para llenar este vacío, muchos países y organizaciones están llevando a cabo investigaciones teóricas básicas y de tecnología aplicada relevantes.

La asociación nacional de protección contra incendios (NFPA) se ha preocupado por la seguridad contra incendios de las baterías de iones de litio durante mucho tiempo. Con el apoyo del Departamento de Energía de Estados Unidos, ha llevado a cabo una serie de programas especiales de investigación y capacitación con instituciones como la Asociación Estadounidense de Ingenieros Automotrices (SAE) y empresas como General Motors. Del 21 al 22 de octubre de 2010, SAE y NFPA organizaron conjuntamente la primera cumbre de estándares de seguridad de vehículos eléctricos, que identificó tres áreas clave de estándares de seguridad para vehículos eléctricos e híbridos: vehículo, entorno de producción y respuesta a emergencias. La seguridad de la batería figuraba como un problema principal. Del 27 al 28 de septiembre de 2011, uno de los enfoques de la segunda cumbre de estándares de seguridad de vehículos eléctricos fue la seguridad de las baterías a bordo y las baterías de almacenamiento y transporte comercial, y se subdividieron seis direcciones clave de investigación:

Riesgo de incendio y rendimiento de seguridad de las baterías;

Requisitos para sistemas de extinción de incendios fijos y móviles para baterías almacenadas comercialmente a gran escala; Reevaluación de las restricciones al transporte de baterías en el ámbito del transporte internacional;

Riesgo de reignición después de daños en la batería;

Agente extintor adecuado para incendios de baterías;

Descarga estándar en condiciones normales y de emergencia.

En 2011, la unidad de investigación de seguros de propiedad (PIRG) de la fundación de investigación de incendios NFPA (FPRF) lanzó un estudio sobre los peligros del almacenamiento de baterías de iones de litio y los métodos de extinción de incendios. En la primera etapa del estudio, la evaluación de riesgo y uso de la batería de iones de litio formada por la búsqueda de literatura señaló que el riesgo de incendio de la batería de iones de litio proviene principalmente de su estructura, especialmente la alta densidad de energía y la gasificación de electrolitos causada por la alta temperatura cuando se carga incorrectamente; Mientras tanto, los cortocircuitos, la sobrecarga y las manchas de agua causadas por un diseño defectuoso de la batería y defectos de la materia prima pueden provocar incendios. El informe cree que la rápida liberación de energía térmica fuera de control es la principal causa de la combustión de electrolitos. Una vez que se produce la fuga térmica, la temperatura de la batería aumenta rápidamente, lo que conduce directamente a la explosión de combustión de los materiales de la batería o la explosión causada por la intensa reacción de oxidación entre el aire y el litio después de la explosión de la carcasa de la batería.

Debido al número limitado y la escala de pruebas realizadas, el mecanismo de la fuga de calor no se comprende bien en la actualidad. En particular, es necesario seguir estudiando las características de la combustión a gran escala de baterías de iones de litio y los métodos de extinción de incendios. En agosto de 2011, PIRG celebró un simposio para determinar la próxima dirección de investigación del experimento de simulación de incendios de tamaño completo. Como contenido principal de la segunda fase de todo el proyecto, la investigación y el experimento de 2012 se centraron en el estudio del riesgo de incendio de dos tipos de baterías de iones de litio en condiciones de almacenamiento a gran escala: uno son productos de pequeño tamaño y el otro son productos de gran tamaño que se pueden utilizar para vehículos eléctricos y otros productos. El equipo de seguros de propiedad trabajará con la Asociación Estadounidense de Incendios y compartirá sobre las baterías de iones de litio para almacenar los logros de investigación de las jerarquías de peligro de incendio, y de acuerdo con NFPA13, la especificación de instalación del sistema de rociadores automáticos para llevar a cabo la prueba relevante, con el fin de ayudar Comité técnico profesional NFPA13 para determinar el espacio de almacenamiento de la batería de iones de litio en el diseño de los parámetros del sistema automático de extinción de incendios.

En julio de 2011, la NFPA lanzó el programa de capacitación en seguridad de vehículos eléctricos para capacitar al personal de emergencia en el manejo seguro de accidentes de vehículos eléctricos. El programa fue financiado por una subvención de $ 4.4 millones del departamento de energía de los EE. UU. En virtud de la ley de recuperación y reinversión de EE. UU. NFPA está trabajando con NHTSA para desarrollar procedimientos de respuesta de emergencia para vehículos eléctricos puros y vehículos eléctricos híbridos, con la participación de los principales fabricantes de automóviles del mundo. Hasta ahora, el programa ha capacitado a unos 800 instructores en 20 estados y más de 15,000 personas se han inscrito para recibir capacitación en línea sobre seguridad de vehículos eléctricos. La NFPA busca la participación de asistencia médica de emergencia y agencias de aplicación de la ley en la capacitación.

Como instituto de investigación especializado en el desempeño de seguridad de artículos para el hogar y productos industriales, el instituto de riesgo y medio ambiente industrial (INERIS) de Francia estableció el instituto de investigación de almacenamiento de energía electroquímica de vehículos eléctricos (STEEVE) en 2010, con el propósito de comprender mejor el rendimiento de las baterías de iones de litio, especialmente para comprender el mecanismo del fuego. Los investigadores de la agencia creen que las pruebas destructivas a gran escala son necesarias para comprender verdaderamente el riesgo de incendio de las baterías de iones de litio y determinar las medidas de seguridad adecuadas. STEEVE tiene previsto presentar su último informe de investigación en el simposio de protección de almacenes de alto riesgo en París el 27 de junio de 2012, con el objetivo de analizar el riesgo de incendio de las mercancías de alto riesgo en las instalaciones de almacenamiento y proponer nuevas medidas de protección contra incendios.

En los últimos años, nuestro país ha realizado "investigación del mecanismo de riesgo térmico de la batería de iones de litio de la dinámica de mutación y explosión", con el fin de revelar los materiales de la batería de iones de litio y sus propiedades cinéticas y termodinámicas mutuas, el uso de cinética química, cinética de análisis térmico , teoría de la combustión térmica espontánea, teoría de la mutación, explorar la ley típica de producción de calor de la batería de iones de litio, el análisis del patrón de mutación interna de la explosión de la batería de iones de litio, para el desarrollo de la batería de iones de litio para proporcionar la base científica y el apoyo técnico necesarios, para prevenir los incendios de las baterías de iones de litio tienen una importancia teórica y práctica importante.

En los últimos años, los académicos chinos han llevado a cabo estudios relevantes sobre el peligro térmico de los materiales de las baterías de iones de litio, el mecanismo de fuga térmica de la batería de iones de litio y la tecnología retardante de llama del electrolito para evitar la fuga térmica de la batería de iones de litio. La estabilidad térmica del electrolito común de las baterías de iones de litio, la estabilidad térmica de los materiales del ánodo y cátodo en diferentes estados de carga y la estabilidad térmica entre el electrolito y el ánodo y el cátodo se estudiaron en detalle mediante el uso de un microcalorímetro C80 y otros equipos. Los resultados muestran que la fuerte acción del ácido de Lewis del PF5 en el electrolito es el factor principal para reducir la estabilidad térmica del electrolito. La estabilidad térmica de LixCOo2 y su sistema de coexistencia con el electrolito disminuye con el aumento del grado eléctrico, mientras que el grado de implantación de litio tiene poca influencia sobre la estabilidad térmica del sistema de coexistencia del electrolito y LixC6. Sobre esta base, se revelan las propiedades dinámicas y termodinámicas de los materiales de las baterías de iones de litio y sus interacciones.

Investigadores de la investigación del ángulo de la dinámica del fuego, el uso integrado de la teoría de la explosión térmica, la cinética de la reacción química y la teoría de la termodinámica, combinando el acoplamiento termoeléctrico entre bajo la acción de los materiales de la batería de iones de litio y sus características termodinámicas y cinéticas de reacción química del estudio experimental, el litio Se analizan las baterías de iones, la posibilidad de incendio y explosión, propone la teoría del triángulo de fuego de la batería de iones de litio y la teoría de la explosión de la batería de Semenov. Sobre la base de la teoría de la mutación, se analizó el proceso de explosión de la batería de iones de litio y se obtuvo con éxito la mutación en cola de milano. En este estudio, el acoplamiento de la teoría de la ciencia del fuego, la teoría de la electroquímica y la teoría de la mutación reveló completamente la ley esencial de la explosión térmica incontrolada de la batería de iones de litio.

Los estudios han demostrado que conduce al calor descontrolado térmico principalmente proviene del calor de la reacción química interna, en base a esto, el sistema de laboratorio para estudiar los tres éster fosfato de isopropil benceno (IPPP) y el éster de fosfato de tolueno difenilo (CDP), etc.) como litio aditivos retardadores de llama de la batería de iones para el electrolito de la batería, el rendimiento positivo, negativo y de la celda completa y la ley de influencia de la estabilidad térmica, y los agentes retardadores de fuego inhiben el mecanismo interno de la fuga térmica. Los estudios han demostrado que la adición de IPPP y CDP no solo puede mejorar de manera efectiva la seguridad de la batería de iones de litio, sino que también tiene un pequeño impacto en el rendimiento electroquímico de toda la batería, proporcionando así una forma de mejorar la seguridad de la batería de iones de litio. La investigación anterior proporciona la base científica y el apoyo técnico necesarios para el desarrollo de baterías de iones de litio y tiene una importancia teórica y práctica importante para prevenir incendios y explosiones de baterías de iones de litio.

4. Resumen

Con la expansión de la aplicación de la batería de iones de litio, especialmente en el campo de las aplicaciones de vehículos eléctricos de la batería de iones de litio de gran capacidad, el accidente de incendio de la batería de iones de litio aumentará significativamente, que se llevará a cabo con respecto al peligro de incendio de la investigación básica, para desarrollar el uso de seguridad, transporte, reciclaje de baterías de iones de litio, normas y procedimientos, y la investigación en tecnología de extinción de incendios para llevar a cabo lo eficiente y práctico.

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