Litiumbatterier finns i många konsumentprodukter och gör det möjligt för tillverkarna att få in flera timmars batteritid i smala produkter. Men de utgör också en brandrisk om de skadas eller används på fel sätt.
Bränder orsakade av litiumbatterier kan vara svåra och farliga för brandmän att bekämpa, och därför har brandkåren tagit fram en checklista som stöd för brandutredare.
Kortslutningar
En av de främsta orsakerna till bränder i litiumbatterier är kortslutning. En kortslutning uppstår när elektrisk ström tar en oavsiktlig, kortare väg genom batteriet än den borde, vilket leder till ett överskott av energi som sedan flödar över cellerna och bildar metalljoner som så småningom överskrider de inre cellernas kapacitet och läcker ut i omgivningen, vilket alstrar värme och bildar brandfarliga gaser som antänder bränder.
Termisk runaway är en annan viktig orsak till bränder i litiumbatterier. Detta inträffar när värme som alstras i batteriet omvandlas till kedjereaktioner som leder till att batteriet exploderar, vanligtvis genom att mikroskopiska metallpartiklar kommer i kontakt med olika delar och alstrar värme, vilket leder till överhettning och utsläpp av brandfarliga gaser från cellerna.
När man laddar litiumbatterier sker en förflyttning av joner från katoden till anoden genom elektrolyten. Denna förflyttning är nödvändig för att batteriet ska fungera korrekt, men kan vara farlig om den avbryts; därför är det avgörande att batterierna laddas i ett avskilt utrymme, på avstånd från potentiella värmekällor.
Syreproduktion är också en av de främsta orsakerna till bränder i litiumbatterier, där upphettade anoder och katoder avger syre som kan läcka ut genom oavsiktliga punkteringar i batterihöljet eller genom kemiska reaktioner som leder till interna kortslutningar i cellerna.
Bränder i litiumbatterier kan vara svåra att släcka, och det är bäst att låta dem brinna ut på en säker plats. Vatten räcker inte på egen hand, eftersom det underblåser elden och samtidigt bildar giftig vätgas; istället är det klokare att använda skumbaserade brandsläckare eller ABC-torrkemikalier, såsom kopparpulver, natriumbikarbonat eller grafit.
Termisk runaway
Litiumbatterier är konstruerade för att fungera inom ett visst temperaturintervall. När temperaturen överskrider denna gräns kan dock en serie reaktioner, så kallad termisk runaway, sätta igång, vilket genererar brandfarliga gaser och brand – vilket är en av anledningarna till att bränder orsakade av litiumbatterier är notoriskt svåra att släcka; Vattenbaserade brandsläckare tjänar endast till att kyla ner batteriet, medan litiumjon-gelbrandsläckare måste användas omedelbart så snart batteriet återantänds, annars kan det återantändas dagar eller timmar senare.
Termisk runaway kan uppstå av olika orsaker när det gäller litiumbatterier, bland annat interna kortslutningar, litiumplätering (bildandet av metalliskt litium på anodytan inuti en battericell), mekaniska skador som punktering eller fall, överladdning, överurladdning eller externa värmekällor; i sällsynta fall kan ett litiumjonbatteri gå in i termisk runaway utan någon uppenbar orsak – detta kallas termisk runaway med fördröjd antändning.
Termisk överhettning kan undvikas genom att sänka batteriets temperatur, använda batteriet inom det angivna temperaturintervallet och följa säkra laddningsrutiner. Dessutom bör batterierna hållas borta från värmekällor och kopplas bort när de inte används.
Forskare bakom en ny studie har kastat nytt ljus över orsakerna till termisk runaway i litiumbatterier genom att undersöka olika faktorer som bidrar till fenomenet, såsom valet av material till batterihöljet och cellstorleken; Statistiska regressionsmodeller för energiavgivning under termisk runaway ingick också i detta forskningsprojekt, vilket ger tillverkare, tillverkare av elfordon och säkerhetsmyndigheter värdefull insikt i hur de kan förebygga sådana runaways i framtida batterier.
Syreproduktion
En termisk kedjereaktion uppstår när battericellerna genomgår interna kemiska reaktioner istället för elektrokemiska, vilket ger upphov till värme och giftiga, brandfarliga gaser. När temperaturen stiger och genererar mer värme accelererar de exoterma reaktionerna ytterligare och producerar ännu mer gas; så småningom antänds denna blandning och bildar ett vitt ångmoln av giftig, brandfarlig gas som blandas med syre innan den antänder närliggande celler – vilket potentiellt kan utlösa en kedjereaktion som sprider sig och förstör alla litiumbatterier i ett flygplan, fordon eller en enhet.
Bränder i litiumbatterier må vara sällsynta, men de kan ändå orsaka betydande störningar och vara svåra att hantera. En metod för att släcka dessa bränder är att använda kylmedel i flytande eller fast form – däribland grafitpulver som smälter vid vissa temperaturer och bildar ett ogenomträngligt täcke över elden; bland de flytande kylmedlen finns vatten samt specialframställda icke-reaktiva vätskor som 3M Novec-serien, vilka innehåller potentiellt farliga PFAS-kemikalier som utgör en hälsorisk för människor.
När en batteribrand bryter ut beror förbränningshastigheten både på syreförbrukningen och på den värme som alstras genom den interna produktionen av kolmonoxid (CO). CO-korrigering vid kalorimetri för syreförbrukning eliminerar denna effekt men kan ge upphov till systematiska fel på upp till 10%; när man tolkar resultat från batteribrandprov är det viktigt att ta hänsyn till dessa fel; de kompenseras dock vanligtvis av allmänna osäkerheter i kalorimetrin för syreförbrukning och antaganden om E-faktorn för batterigaser; Därför kan den totala värmeavgivningen från batterier underskattas med cirka 2 kJ/Wh.
Extrem värme
Bränder orsakade av litiumbatterier kan vara våldsamma och svåra att släcka, vilket kan leda till omfattande materiella skador samt utsläpp av giftiga gaser som utgör allvarliga hot mot människors hälsa. Det är därför av avgörande betydelse att bränder orsakade av litiumbatterier förebyggs på arbetsplatser så tidigt som möjligt.
Det första steget för att förebygga batteribränder är att upptäcka varningssignaler. Dessa inkluderar onormal värme, ljud, lukt eller svullnad, vilket kan tyda på en förestående termisk runaway eller kortslutning och bör åtgärdas omedelbart för att förhindra bränder.
Litiumjonbatterier har blivit en av de mest utbredda energilagringslösningarna för både konsument- och industriellt bruk och erbjuder kraftfulla, bärbara strömförsörjningslösningar för enheter som sträcker sig från mobiltelefoner till elfordon. Även om litiumjonbatterier har många fördelar kan felaktig hantering eller förvaring få ödesdigra konsekvenser.
För att säkerställa en säker förvaring av litiumbatterier bör man undvika att hantera dem på ett ovarsamt sätt. Om ett batteri tappas kan dess inre komponenter skadas, vilket kan leda till kortslutning eller termisk runaway. Allteftersom litiumbatterier åldras och laddas och urladdas oftare vid högre temperaturer ökar deras känslighet för mekaniska skador i takt med åldern, laddnings- och urladdningsfrekvensen samt de förhöjda temperaturerna.
Batterier är också känsliga för extrema miljöförhållanden. När de utsätts för regn, saltluft eller fukt kan batterierna snabbt förlora sin laddning och överhettas, vilket kan leda till termisk runaway och att de släpper ut gaser med lågor.
Bränder i litiumjonbatterier kan vara svåra att släcka. Vanliga vattenbaserade brandsläckare klarar ofta inte av att helt släcka dessa bränder, och de blossar ofta upp igen flera timmar eller dagar senare; det finns dock särskilda brandsläckare avsedda för litiumjonbatterier.
Blazestack
Bränder i litiumbatterier har blivit vanligare och utgör ett allt större hot mot den allmänna säkerheten, vilket försvårar släckningsarbetet och leder till omfattande materiella skador. De flesta bränder i litiumbatterier orsakas av termisk runaway, vilket inträffar när batterierna överhettas; andra kan uppstå på grund av fysiska skador eller laddningsproblem; med rätt verktyg till hands kan brandmän snabbare identifiera och hantera sådana bränder på ett mer effektivt sätt.
Bränder orsakade av litiumbatterier utgör ett av de största hoten mot byggnader och de människor som befinner sig där. De kan snabbt sprida eld och orsaka omfattande strukturella skador som hotar människors liv i byggnaden. Därför är det av avgörande betydelse att vi informerar människor om farorna med uppladdningsbara batterier.
På senare tid har antalet batterirelaterade bränder ökat avsevärt i större städer i USA, såsom New York och San Francisco – antalet har mer än fördubblats sedan 2012. Även om de flesta bränderna inte leder till personskador eller dödsfall kan många av dem orsaka omfattande skador på såväl kommersiella fastigheter som bostadshus.
Det finns dock flera strategier för att förebygga bränder i litiumbatterier, bland annat korrekt förvaring och underhåll av dem. Dessutom rekommenderas det att hålla metallföremål och vatten borta, och att använda brandsäkra behållare vid förvaring av litiumbatterier bör också betraktas som en god praxis.
Fysiska skador och elektriska kortslutningar är två vanliga orsaker till batteribränder. Batterifel eller överhettning kan utlösa en termisk runaway, en extrem kemisk reaktion där vassa litiumnålar tränger igenom separatorcellerna och orsakar interna kortslutningar; när batterihusets skal spricker kommer brandfarliga elektrolyter i kontakt med luft eller värmekällor och antänds.