Brandgefahr von Lithium-Ionen-Batterien und damit verbundene Forschungsfortschritte

Lithium-Ionen-Batterie ist eine Art Hochleistungs-Akku. Lithium-Ionen-Batterie unterscheidet sich von "Lithium-Batterie"

(LithiumBatterie), das letztere der Anodenmaterialien ist Mangandioxid oder Thionylchlorid, und die Kathode ist eine Lithiumbatterie-Baugruppe ohne Ladung, nachdem die Fertigstellung des Reservoirs Strom hat, während des Lade- und Entladezyklus, um interne Kurzschlussbatterien zu verursachen, Lithiumkristallisation und in der Regel ist das Laden verboten, sollte daher nicht kurz Lithium-Ionen-Batterie "Lithium-Batterie" sein.

Die ursprüngliche Idee, Lithium zur elektrischen Entladung zu verwenden, stammt vom amerikanischen Erfinder Edison aus dem 19. Jahrhundert, der vorschlug, dass Li + MnO2 = LiMnO2 die REDOX-Reaktion der elektrischen Entladung ist. Da die chemischen Eigenschaften von Lithium jedoch sehr lebhaft sind, sind die Verarbeitung, Lagerung und Verwendung der Anforderungen sehr hoch, so dass sie seit langem nicht mehr verwendet werden. In den 1980er Jahren entwickelte bell LABS erfolgreich die erste wiederaufladbare Lithium-Ionen-Graphit-Elektrodenbatterie. 1991 SONY corp. veröffentlichte den ersten kommerziellen Lithium-Ionen-Akku. Da sich die Lithium-Ionen-Batterietechnologie aufgrund der hohen Energiedichte (Masse und Volumen als Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Batterien mit der gleichen Kapazität zur Reduzierung von mehr als 50%, der Energiedichte von 540 ~ 720 kj / kg) rasant entwickelt, Hohe Leerlaufspannung (Monomerspannung von 3,3 V bis 4,2 V, entspricht drei Serien von Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Batterien), hohe Ausgangsleistung (300 ~ 1500 / kg), keine Verschmutzung (enthält keine schädlichen Schwermetalle wie z Als Cadmium, Blei, Quecksilber), hohe Lebensdauer, kein Memory-Effekt, schnelles Laden, großer Arbeitstemperaturbereich (20 bis 60 ° C) und andere Vorteile wird es häufig in der Unterhaltungselektronik, in Militärprodukten, in der Luftfahrt und in anderen Bereichen eingesetzt . Mit der rasanten Entwicklung der Elektrofahrzeugtechnologie ist die Lithium-Ionen-Batterie zu einer wichtigen Energiequelle für Elektrofahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge geworden. Es wird geschätzt, dass der Markt für Lithium-Ionen-Batterien jedes Jahr um 20% wachsen wird. Im Jahr 2011 wird der weltweite Markt für Lithium-Ionen-Batterien 8 Milliarden USD und im Jahr 2020 18 Milliarden USD erreichen.

2. Übersicht über das Feuer der Lithium-Ionen-Batterie

Mit der breiten Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien ist die Brandgefahr von Lithium-Ionen-Batterien allmählich gestiegen. Im In- und Ausland ereigneten sich viele einflussreiche Brandunfälle, und es wurden umfangreiche Rückrufe verwandter Produkte ausgelöst.

2.1 Feuer im Bereich der Verwendung und des Transports von Lithium-Ionen-Batterien

Im Jahr 2006 musste ein DC-8-Frachtflugzeug einer amerikanischen Expressfirma notlanden, nachdem die Batterie des Laptops in Brand geraten war.

Im Jahr 2010 stürzte eines seiner Boeing 747-Frachtflugzeuge in Dubai ab, nachdem seine Lithium-Ionen-Batterien Feuer gefangen hatten. Zu diesem Zweck hat die US-amerikanische Luftfahrtbehörde (FAA) wiederholt auf die Sicherheitswarnung des Lufttransportprozesses für Lithium-Ionen-Batterien hingewiesen. Die internationale Zivilluftfahrtindustrie hat auch strenge Beschränkungen für den Transport von Lithium-Ionen-Batterien erlassen.

2.2 Feldbrand beim Recycling von Lithium-Ionen-Batterien

Der 7. November 2009 in Trail, Kanada, das Lagerfeuer für das Recycling von Lithium-Ionen-Batterien, ist die größte Auswirkung dieser Art von Brandunfall. Das 6.500 m² große Lagerhaus am Ufer des Columbia River im Süden von British Columbia gehört dem kalifornischen Unternehmen TOXCOInc aus Anaheim. Im August 2009 erhielt das Unternehmen vom US-Energieministerium einen Sonderzuschuss in Höhe von 9,5 Mio. USD für die Entwicklung der Recyclingtechnologie für Lithium-Ionen-Batterien.

Im Brandfall verfügt das Lager über eine große Menge an recycelten Lithiumbatterien und Lithiumionenbatterien, einschließlich kleiner Mobiltelefone, Notebooks und hochleistungsbatterien für Elektroautos. Nachdem das Feuer ausgebrochen war, trat es schnell in die Phase des heftigen Brennens ein, und die lokale Regierung startete den regionalen Mechanismus zur Verknüpfung von Notfallmaßnahmen. Das Feuer war so heftig und die Angst, dass Lithiumhydroxid und Wasserstoff mit Wasser reagieren würden, um es noch heftiger zu verbrennen, dass Feuerwehrleute nicht viel Wasser abschossen, sondern das Feuer an der Peripherie hielten, um eine Ausbreitung zu verhindern. Das Feuer brannte erst am nächsten Nachmittag vollständig aus und verursachte einige Schäden an der örtlichen Umwelt. Die Ursache des Brandes wurde nicht ermittelt, es wird geschätzt, dass die Lagerung von Lithiumbatterien im Lager Kurzschluss überhitzt, hohe Temperatur durch Verbrennung verursacht.

2.3 Die Brandgefahr von Lithium-Ionen-Batterien für Fahrzeuge ist von großer Bedeutung

Als wichtiger Bestandteil der Förderung der Entwicklung neuer Energie legen die Länder großen Wert auf Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeugtechnologie. Es wird geschätzt, dass die Anzahl der Elektrofahrzeuge in den USA im Jahr 2015 1 Million erreichen wird und die Anzahl der in China produzierten und verkauften Elektrofahrzeuge 500.000 erreichen wird. Lithium-Ionen-Batterien sind die am weitesten verbreitete Energieform für Elektrofahrzeuge. In den letzten Jahren gab es im In- und Ausland viele Brände von Elektrofahrzeugen im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien.

Am 7. Januar 2010 brach in der Garage des Busunternehmens Urumqi ein Feuer auf einem rein elektrischen Bus aus, in den eine Marke aus "doppelt elektrischem" Superkondensator und Lithium-Ionen-Batterie eingemischt war (das Auto wurde wegen Kälte eingelagert am 23. Dezember 2009 und 15 Tage später in Brand geraten.)

Am 11. April 2011 fing ein elektrisches Taxi Feuer, als es in Hangzhou fuhr. Am 18. Juli 2011 zündete ein reiner Elektrobus in Shanghai aufgrund der Überhitzung seiner lithium-eisenphosphat-batterie spontan an.

Seit Mai 2011 hat die potenzielle Brandgefahr von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge eines amerikanischen Automobilunternehmens die Aufmerksamkeit der internationalen Automobilindustrie und der Brandschutzindustrie auf sich gezogen.

Die Produktion der weltweit ersten Anwendung von benzinelektrischen Hybriden mit Eisenphosphat-Lithium-Ionen-Batterie-Plug-in durch die National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) mit vier Front- und Seitencrashtests erhält eine Sicherheitsbewertung von 5 Sternen, jedoch drei Wochen später am 6. Juni ein Crashtest-Prototyp innerhalb des Lagerfeuers, das Feuer im Batteriefach. Während der Kollision wurde das Batteriefach von den starren Querkomponenten unter dem Fahrersitz durchdrungen, was zu einer Beschädigung des Kühlmittelzirkulationssystems der Lithium-Ionen-Batterie, zu Flüssigkeitsleckagen, Kurzschlüssen und Feuer führte.

Im September 2011 hat NHTSA am 5. zum Autounfalltest keine Anomalien festgestellt, dann speziell für den Lithium-Ionen-Akku des Fahrzeugs zum 6-fachen Test zwei Gruppen von Zellen innerhalb einer Woche nach dem Crashtest nacheinander, die dritte Batterie Lichtbogenentladung und Feuer erzeugen tritt auf, die vierte Gruppe Batteriekontakt Überhitzung Phänomen, mit fünf Zellen erscheinen langsame Entladung (bestätigt, nachdem nichts mit der Kollision zu tun hat), 6 Batterie Feuer.

Im November 2011 leiteten NHTSA und das US-Energieministerium offiziell eine Untersuchung auf Produktfehler des Fahrzeugs ein. In drei Tests gerieten zwei weitere Prototypfahrzeuge in Brand. Dieses Ergebnis veranlasste NHTSA, 2011 eine spezielle Untersuchung des Lithium-Ionen-Batteriepacks dieses Autos einzuleiten. Das Automobilunternehmen legte sofort den Verbesserungsplan für die Einstellung der quersteifen Komponenten zum Schutz des Batteriefachs vor und installierte den Kühlflüssigkeitsstandsensor in der Akku und erinnerte und reformierte mehr als 8.000 verkaufte Fahrzeuge.

Im Dezember 2011 bestand das verbesserte Musterauto den Kollisionstest ohne Auffälligkeiten.

Im Januar 2012 hielt ein Unterausschuss des House Oversight Committee eine gemeinsame Anhörung mit der Wirtschaftsreformkommission der US-Regierung ab.

Im März 2012 kündigte das Unternehmen an, die Produktion des Autos vom 19. des Monats bis zum 23. April für fünf Wochen einzustellen. Es wurden keine Brände im tatsächlichen Gebrauch gemeldet.

3. Aktueller Stand internationaler Studien zur Brandgefahr von Lithium-Ionen-Batterien

Bisher haben die Länder keine Sicherheitsstandards für Lithium-Ionen-Batterien und Brandschutzmaßnahmen entwickelt. Um diese Lücke zu schließen, führen viele Länder und Organisationen relevante Grundlagenforschung und angewandte Technologieforschung durch.

Der nationale Brandschutzverband (NFPA) befasst sich seit langem mit dem Brandschutz von Lithium-Ionen-Batterien. Mit Unterstützung des US-Energieministeriums hat es eine Reihe spezieller Forschungs- und Ausbildungsprogramme mit Institutionen wie dem amerikanischen Verband der Automobilingenieure (SAE) und Unternehmen wie General Motors durchgeführt. Vom 21. bis 22. Oktober 2010 veranstalteten SAE und NFPA gemeinsam den ersten Gipfel zu Sicherheitsstandards für Elektrofahrzeuge, auf dem drei Schlüsselbereiche von Sicherheitsstandards für Elektro- und Hybridfahrzeuge festgelegt wurden: Fahrzeug, Produktionsumgebung und Notfallmaßnahmen. Die Batteriesicherheit wurde als Hauptproblem aufgeführt. Vom 27. bis 28. September 2011 war einer der Schwerpunkte des zweiten Gipfeltreffens zu Sicherheitsstandards für Elektrofahrzeuge die Sicherheit von Bordbatterien sowie gewerblichen Transport- und Speicherbatterien. Sechs wichtige Forschungsrichtungen wurden unterteilt:

Brandgefahr und Sicherheitsleistung von Batterien;

Anforderungen an ortsfeste und mobile Feuerlöschsysteme für handelsübliche Großbatterien; Neubewertung der Beschränkungen des Batterietransports im Bereich des internationalen Transports;

Wiederentzündungsgefahr nach Batterieschaden;

Löschmittel geeignet für Batteriebrand;

Entladestandard unter normalen und Notfallbedingungen.

Im Jahr 2011 startete die Sachversicherungs-Forschungseinheit (PIRG) der NFPA-Feuerforschungsstiftung (FPRF) eine Studie über die Gefahren der Lagerung von Lithium-Ionen-Batterien und der Brandbekämpfungsmethoden. In der ersten Phase der Studie wurde in der durch Literaturrecherche ermittelten Risiko- und Verwendungsbewertung von Lithium-Ionen-Batterien darauf hingewiesen, dass das Brandrisiko von Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich auf deren Struktur zurückzuführen ist, insbesondere auf die hohe Energiedichte und die durch das Hoch verursachte Elektrolytvergasung Temperatur bei unsachgemäßer Aufladung; In der Zwischenzeit können Kurzschlüsse, Überladung und Wasserflecken, die durch ein fehlerhaftes Batteriedesign und Rohstofffehler verursacht werden, Brände verursachen. Der Bericht geht davon aus, dass die rasche Freisetzung von thermischem Durchgehen die Hauptursache für die Elektrolytverbrennung ist. Sobald ein thermisches Durchgehen auftritt, steigt die Batterietemperatur schnell an, was entweder direkt zur Verbrennungsexplosion von Batteriematerialien oder zur Explosion führt, die durch die intensive Oxidationsreaktion zwischen Luft und Lithium nach dem Platzen des Batteriegehäuses verursacht wird.

Aufgrund der begrenzten Anzahl und des begrenzten Umfangs der durchgeführten Tests ist der Mechanismus des Ausreißens von Wärme derzeit nicht gut verstanden. Insbesondere müssen die Eigenschaften der Verbrennung von Lithiumionenbatterien in großem Maßstab und der Feuerlöschverfahren weiter untersucht werden. Im August 2011 veranstaltete die PIRG ein Symposium, um die nächste Forschungsrichtung für ein Brandsimulationsexperiment in voller Größe zu bestimmen. Als Hauptinhalt der zweiten Phase des gesamten Projekts konzentrierten sich die Forschungen und Experimente im Jahr 2012 auf die Untersuchung des Brandrisikos von zwei Arten von Lithium-Ionen-Batterien unter Lagerbedingungen in großem Maßstab: einer sind kleine Produkte und der andere ist großformatige Produkte, die für Elektrofahrzeuge und andere Produkte verwendet werden können. Das Sachversicherungsteam wird mit der amerikanischen Brandschutzvereinigung zusammenarbeiten und Informationen über die Lithium-Ionen-Batterien austauschen, um die Forschungsergebnisse der Brandgefahrenhierarchien zu speichern, und gemäß NFPA13 die Installationsspezifikation für die automatische Sprinkleranlage, um den entsprechenden Test durchzuführen, um zu helfen Professionelles technisches Komitee NFPA13 zur Bestimmung des Speicherplatzes für Lithium-Ionen-Batterien bei der Auslegung der Parameter des automatischen Feuerlöschsystems.

Im Juli 2011 startete die NFPA das Sicherheitsschulungsprogramm für Elektrofahrzeuge, um Einsatzkräfte in der sicheren Behandlung von Unfällen mit Elektrofahrzeugen zu schulen. Das Programm wurde durch einen Zuschuss von 4,4 Mio. USD vom US-Energieministerium im Rahmen des US-amerikanischen Sanierungs- und Reinvestitionsgesetzes finanziert. NFPA arbeitet mit NHTSA zusammen, um unter Beteiligung der weltweit größten Automobilhersteller Notfallmaßnahmen für reine Elektrofahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge zu entwickeln. Bisher hat das Programm rund 800 Trainer in 20 Bundesstaaten geschult, und mehr als 15.000 Menschen haben sich für Online-Schulungen zur Sicherheit von Elektrofahrzeugen angemeldet. Die NFPA bemüht sich um die Teilnahme von medizinischen Nothilfe- und Strafverfolgungsbehörden an Schulungen.

Als Forschungsinstitut, das sich auf die Sicherheitsleistung von Haushaltswaren und Industrieprodukten spezialisiert hat, hat das französische Institut für industrielle Umwelt und Risiken (INERIS) 2010 das Forschungsinstitut für elektrochemische Energiespeicher für Elektrofahrzeuge (STEEVE) gegründet, um das Leistung von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere um den Mechanismus des Feuers zu verstehen. Die Forscher der Agentur sind der Ansicht, dass umfassende zerstörende Tests erforderlich sind, um das Brandrisiko von Lithium-Ionen-Batterien wirklich zu verstehen und geeignete Sicherheitsmaßnahmen zu ermitteln. STEEVE plant, seinen neuesten Forschungsbericht auf dem Hochrisiko-Lagerschutzsymposium in Paris am 27. Juni 2012 vorzustellen, um das Brandrisiko von Hochrisikogütern in Lagereinrichtungen zu analysieren und neue Brandschutzmaßnahmen vorzuschlagen.

In den letzten Jahren hat unser Land einen "thermischen Gefährdungsmechanismus für Lithium-Ionen-Batterien in der Mutations- und Explosionsdynamikforschung" durchgeführt, um die Lithium-Ionen-Batteriematerialien und ihre gegenseitigen kinetischen und thermodynamischen Eigenschaften, die Verwendung chemischer Kinetik und die Kinetik der thermischen Analyse aufzudecken , Theorie der thermischen Selbstentzündung, Mutationstheorie, Erforschung des typischen Wärmeerzeugungsgesetzes einer Lithium-Ionen-Batterie, der internen Mutationsmusteranalyse der Lithium-Ionen-Batterie-Explosion, für die Entwicklung einer Lithium-Ionen-Batterie, um die notwendige wissenschaftliche Grundlage und technische Unterstützung zu bieten, um dies zu verhindern Die Brände der Lithium-Ionen-Batterien haben eine wichtige theoretische und praktische Bedeutung.

In den letzten Jahren haben chinesische Wissenschaftler relevante Studien zur thermischen Gefährdung von Lithium-Ionen-Batteriematerialien, zum Mechanismus des thermischen Durchgehens von Lithium-Ionen-Batterien und zur flammhemmenden Technologie des Elektrolyten durchgeführt, um das thermische Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien zu verhindern. Die thermische Stabilität des üblichen Elektrolyten von Lithiumionenbatterien, die thermische Stabilität von Anoden- und Kathodenmaterialien unter verschiedenen Ladezuständen und die thermische Stabilität zwischen Elektrolyt und Anode und Kathode wurden unter Verwendung eines C80-Mikrokalorimeters und anderer Geräte detailliert untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die starke Lewis-Säure-Wirkung von PF5 im Elektrolyten der Hauptfaktor zur Verringerung der thermischen Stabilität des Elektrolyten ist. Die thermische Stabilität von LixCOo2 und seines Koexistenzsystems mit dem Elektrolyten nimmt mit zunehmendem elektrischen Grad ab, während der Grad der Lithiumimplantation wenig Einfluss auf die thermische Stabilität des Koexistenzsystems von Elektrolyt und LixC6 hat. Auf dieser Basis werden die dynamischen und thermodynamischen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batteriematerialien und ihre Wechselwirkungen offenbart.

Forscher aus der Angle of Fire Dynamics-Forschung, der integrierten Anwendung der Theorie der thermischen Explosion, der chemischen Reaktionskinetik und der Thermodynamik, kombinieren die thermoelektrische Kopplung zwischen der Einwirkung von Lithiumionenbatteriematerialien und deren thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften der chemischen Reaktion der experimentellen Untersuchung Lithium Ionenbatterien werden analysiert, die Möglichkeit von Feuer und Explosion, schlägt die Lithium-Ionen-Batterie Feuerdreieckstheorie und Batterieexplosionstheorie von Semenov vor. Auf der Grundlage der Mutationstheorie wurde der Explosionsprozess der Lithiumionenbatterie analysiert und die Schwalbenschwanzmutation erfolgreich erhalten. In dieser Studie enthüllte die Kopplung von Theorie der Feuerwissenschaften, Theorie der Elektrochemie und Mutationstheorie das wesentliche Gesetz der unkontrollierten thermischen Explosion von Lithiumionenbatterien vollständig.

Studien haben gezeigt, dass die Wärmeentwicklung hauptsächlich durch die interne chemische Reaktionswärme verursacht wird. Auf dieser Grundlage untersucht das Laborsystem die drei Isopropylbenzolesterphosphate (IPPP) und Toluoldiphenylphosphatester (CDP) usw.) als Lithium Ionenbatterie flammhemmende Additive für Batterieelektrolyten, die positive, negative und Ganzzellenleistung sowie das Einflussgesetz der thermischen Stabilität und die vorgebrachten feuerhemmenden Mittel hemmen den inneren Mechanismus des thermischen Durchgehens. Studien haben gezeigt, dass die Zugabe von IPPP und CDP nicht nur die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien wirksam verbessern kann, sondern auch einen geringen Einfluss auf die elektrochemische Leistung der gesamten Batterie hat, wodurch die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien verbessert werden kann. Die obige Forschung liefert die notwendige wissenschaftliche Grundlage und technische Unterstützung für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien und hat wichtige theoretische und praktische Bedeutung für die Verhinderung von Feuer und Explosion von Lithium-Ionen-Batterien.

4. Zusammenfassung

Mit der Ausweitung der Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien, insbesondere im Bereich der Anwendungen von Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge mit großer Kapazität, wird der Brandunfall mit Lithium-Ionen-Batterien erheblich zunehmen, um die Brandgefahr der Grundlagenforschung zu berücksichtigen und den Sicherheitsgebrauch zu entwickeln. Transport, Recycling von Lithium-Ionen-Batterien, Standards und Verfahren sowie Forschung zu Feuerlöschtechnologien zur Durchführung effizienter und praktischer Maßnahmen.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.