Die Sicherheit von Lithiumbatterien war in der Branche schon immer ein Anliegen. Aufgrund der besonderen Materialstruktur und der komplexen Betriebsumgebung kommt es bei einem Brandunfall zu Sachschäden, Sachschäden und sogar zu Todesopfern. Nach einem Brand einer Lithiumbatterie ist die Entsorgung schwierig, dauert lange und führt häufig zur Entstehung großer Mengen giftiger Gase. Daher kann eine rechtzeitige Feuerlöschung die Ausbreitung des Feuers effektiv kontrollieren, großflächige Verbrennungen verhindern und dem Personal mehr Zeit zur Flucht geben.

Beim thermischen Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien kommt es häufig zu Rauch, Feuer und sogar Explosionen. Daher ist die Beherrschung des Problems des thermischen Durchgehens und der Diffusion zur größten Herausforderung für Lithiumbatterieprodukte im Einsatzprozess geworden. Durch die Wahl der richtigen Feuerlöschtechnologie kann die weitere Ausbreitung des thermischen Durchgehens von Batterien verhindert werden, was für die Unterdrückung des Brandausbruchs von großer Bedeutung ist.

In diesem Artikel werden die gängigen Feuerlöscher und Löschmechanismen vorgestellt, die derzeit auf dem Markt erhältlich sind, und die Vor- und Nachteile verschiedener Arten von Feuerlöschern analysiert.

Arten von Feuerlöschern

Derzeit sind die auf dem Markt befindlichen Feuerlöscher hauptsächlich in Gasfeuerlöscher, wasserbasierte Feuerlöscher, Aerosol-Feuerlöscher und Trockenpulver-Feuerlöscher unterteilt. Nachfolgend finden Sie eine Einführung in die Codes und Eigenschaften der einzelnen Feuerlöschertypen.

Perfluorhexan: Perfluorhexan wurde im PFAS-Inventar der OECD und der US-EPA aufgeführt. Daher sollte die Verwendung von Perfluorhexan als Feuerlöschmittel den örtlichen Gesetzen und Vorschriften entsprechen und mit den Umweltbehörden kommuniziert werden. Da es sich bei den Produkten von Perfluorhexan bei der thermischen Zersetzung um Treibhausgase handelt, ist es nicht für eine langfristige, hochdosierte, kontinuierliche Versprühung geeignet. Es wird empfohlen, es in Kombination mit einem Wassersprühsystem zu verwenden.

Trifluormethan:Trifluormethan-Mittel werden nur von wenigen Herstellern hergestellt und es gibt keine spezifischen nationalen Normen, die diese Art von Feuerlöschmitteln regeln. Da die Wartungskosten hoch sind, wird von der Verwendung abgeraten.

Hexafluorpropan:Dieses Löschmittel neigt dazu, während des Gebrauchs Geräte oder Ausrüstung zu beschädigen, und sein Treibhauspotenzial (GWP) ist relativ hoch. Daher kann Hexafluorpropan nur als vorübergehendes Feuerlöschmittel verwendet werden.

Heptafluorpropan:Aufgrund des Treibhauseffekts wird es von verschiedenen Ländern schrittweise eingeschränkt und steht vor der Abschaffung. Derzeit sind Heptafluorpropan-Wirkstoffe nicht mehr erhältlich, was zu Problemen beim Nachfüllen bestehender Heptafluorpropan-Systeme während der Wartung führen wird. Daher wird seine Verwendung nicht empfohlen.

Inertgas:Einschließlich IG 01, IG 100, IG 55, IG 541, wobei IG 541 weiter verbreitet ist und international als grünes und umweltfreundliches Feuerlöschmittel anerkannt ist. Allerdings hat es die Nachteile hoher Baukosten, eines hohen Bedarfs an Gasflaschen und eines großen Platzbedarfs.

Mittel auf Wasserbasis:Feuerlöscher mit feinem Wassernebel sind weit verbreitet und haben die beste Kühlwirkung. Dies liegt vor allem daran, dass Wasser über eine große spezifische Wärmekapazität verfügt, die schnell große Wärmemengen aufnehmen kann, die nicht umgesetzten Wirkstoffe im Inneren der Batterie abkühlt und so einen weiteren Temperaturanstieg verhindert. Allerdings verursacht Wasser erhebliche Schäden an Batterien und ist nicht isolierend, was zu Batteriekurzschlüssen führt.

Aerosol:Aufgrund seiner Umweltfreundlichkeit, Ungiftigkeit, geringen Kosten und einfachen Wartung ist Aerosol zum gängigen Feuerlöschmittel geworden. Das ausgewählte Aerosol sollte jedoch den UN-Vorschriften und den örtlichen Gesetzen und Vorschriften entsprechen, und eine lokale nationale Produktzertifizierung ist erforderlich. Allerdings mangelt es Aerosolen an Kühlwirkung und bei der Anwendung bleibt die Temperatur der Batterie relativ hoch. Nachdem das Feuerlöschmittel nicht mehr freigesetzt wird, besteht die Gefahr einer Wiederentzündung der Batterie.

Wirksamkeit von Feuerlöschmitteln

Das State Key Laboratory of Fire Science an der University of Science and Technology of China führte eine Studie durch, in der die Feuerlöschwirkung von ABC-Trockenpulver, Heptafluorpropan, Wasser, Perfluorhexan und CO2-Feuerlöschmitteln an einer 38-A-Lithium-Ionen-Batterie verglichen wurde.

Vergleich der Feuerlöschverfahren

ABC-Trockenpulver, Heptafluorpropan, Wasser und Perfluorhexan können Batteriebrände schnell und ohne erneute Entzündung löschen. CO2-Feuerlöscher können Batteriebrände jedoch nicht wirksam löschen und können zu einer erneuten Entzündung führen.

Vergleich der Ergebnisse der Brandbekämpfung

Nach dem thermischen Durchgehen lässt sich das Verhalten von Lithiumbatterien unter Einwirkung von Feuerlöschmitteln grob in drei Phasen einteilen: die Abkühlphase, die Phase des schnellen Temperaturanstiegs und die Phase des langsamen Temperaturabfalls.

Die erste Stufeist die Abkühlphase, in der die Temperatur der Batterieoberfläche nach der Freisetzung des Feuerlöschmittels sinkt. Dies hat vor allem zwei Gründe:

• Batterieentlüftung: Vor dem thermischen Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien sammelt sich eine große Menge an Alkanen und CO2-Gas im Inneren der Batterie an. Wenn die Batterie ihre Druckgrenze erreicht, öffnet sich das Sicherheitsventil und gibt Hochdruckgas frei. Dieses Gas transportiert die aktiven Substanzen in die Batterie und sorgt gleichzeitig für einen gewissen Kühleffekt auf die Batterie.
• Wirkung des Feuerlöschmittels: Die Kühlwirkung des Feuerlöschmittels beruht hauptsächlich auf zwei Teilen: der Wärmeaufnahme beim Phasenwechsel und der chemischen Isolationswirkung. Durch die Phasenwechsel-Wärmeabsorption wird die von der Batterie erzeugte Wärme direkt abgeführt, während der chemische Isolationseffekt indirekt die Wärmeerzeugung durch Unterbrechung chemischer Reaktionen reduziert. Den größten Kühleffekt hat Wasser aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität, die es ihm ermöglicht, große Wärmemengen schnell aufzunehmen. Es folgt Perfluorhexan, während HFC-227ea, CO2 und ABC-Trockenpulver keine signifikante Kühlwirkung zeigen, was mit der Art und Wirkungsweise der Feuerlöschmittel zusammenhängt.

Die zweite Stufe ist die Phase des schnellen Temperaturanstiegs, in der die Batterietemperatur schnell von ihrem Minimalwert auf ihren Höchstwert ansteigt. Da Feuerlöschmittel die Zersetzungsreaktion innerhalb der Batterie nicht vollständig stoppen können und die meisten Feuerlöschmittel eine schlechte Kühlwirkung haben, zeigt die Temperatur der Batterie bei verschiedenen Feuerlöschmitteln einen nahezu vertikalen Aufwärtstrend. In kurzer Zeit erreicht die Temperatur der Batterie ihren Höhepunkt.

In diesem Stadium gibt es einen erheblichen Unterschied in der Wirksamkeit verschiedener Feuerlöschmittel bei der Verhinderung des Anstiegs der Batterietemperatur. Die Wirksamkeit in absteigender Reihenfolge ist Wasser > Perfluorhexan > HFC-227ea > ABC-Trockenpulver > CO2. Wenn die Batterietemperatur langsam ansteigt, erhöht sich die Reaktionszeit für die Batteriebrandwarnung und die Reaktionszeit für die Bediener.

Abschluss

1. CO2: Feuerlöschmittel wie CO2, die hauptsächlich durch Ersticken und Isolieren wirken, haben nur eine geringe hemmende Wirkung auf Batteriebrände. In dieser Studie kam es bei CO2 zu schweren Rückzündungserscheinungen, die es für Brände von Lithiumbatterien ungeeignet machten.
2. ABC-Trockenpulver / HFC-227ea: ABC-Trockenpulver und HFC-227ea-Feuerlöschmittel, die hauptsächlich durch Isolierung und chemische Unterdrückung wirken, können die Kettenreaktionen innerhalb der Batterie teilweise bis zu einem gewissen Grad hemmen. Sie haben eine etwas bessere Wirkung als CO2, aber da ihnen die Kühlwirkung fehlt und sie interne Reaktionen in der Batterie nicht vollständig blockieren können, steigt die Temperatur der Batterie nach der Freisetzung des Feuerlöschmittels dennoch schnell an.
3. Perfluorhexan: Perfluorhexan blockiert nicht nur interne Batteriereaktionen, sondern absorbiert auch Wärme durch Verdampfung. Daher ist seine hemmende Wirkung auf Batteriebrände deutlich besser als bei anderen Feuerlöschmitteln.
4. Wasser: Von allen Feuerlöschmitteln hat Wasser die offensichtlichste Feuerlöschwirkung. Dies liegt vor allem daran, dass Wasser über eine große spezifische Wärmekapazität verfügt und daher schnell große Wärmemengen aufnehmen kann. Dies kühlt die nicht umgesetzten Wirkstoffe im Inneren der Batterie ab und verhindert so einen weiteren Temperaturanstieg. Allerdings verursacht Wasser erhebliche Schäden an Batterien und hat keine isolierende Wirkung, weshalb bei der Verwendung äußerste Vorsicht geboten ist.

Was sollten wir wählen?

Wir haben die Brandschutzsysteme mehrerer derzeit auf dem Markt befindlicher Hersteller von Energiespeichersystemen untersucht und dabei vor allem die folgenden Feuerlöschlösungen eingesetzt:

• Perfluorhexan + Wasser
• Aerosol + Wasser

Das kann man sehensynergistische Feuerlöschmittel sind der Mainstream-Trend für Hersteller von Lithiumbatterien. Am Beispiel von Perfluorhexan + Wasser kann Perfluorhexan offene Flammen schnell löschen und so den Kontakt von feinem Wassernebel mit der Batterie erleichtern, während feiner Wassernebel diese effektiv abkühlen kann. Der kooperative Betrieb hat eine bessere Feuerlösch- und Kühlwirkung als der Einsatz eines einzelnen Feuerlöschmittels. Derzeit verlangt die neue Batterieverordnung der EU, dass zukünftige Batterieetiketten verfügbare Feuerlöschmittel angeben. Hersteller müssen außerdem das geeignete Feuerlöschmittel auf der Grundlage ihrer Produkte, der örtlichen Vorschriften und der Wirksamkeit auswählen.