Krasnoyarsk, Russian Federation
Krasnoyarsk, Russian Federation
UDC 614.841
The article discusses the current problem of ensuring fire safety during the transportation of lithium-ion batteries (LIBs), which is caused by the high risk of thermal runaway leading to combustion and explosion. An analysis of the current regulatory framework has revealed that the existing requirements for containers for the transportation of LIBs are focused primarily on mechanical strength and do not take into account the thermal load associated with the possible thermal runaway of the batteries. This creates gaps in ensuring fire safety during the transportation of LIBs. The article presents the results of a series of preliminary experiments on modeling thermal runaway in a closed volume. Tests of LIA samples demonstrated reproducible stages of emergency mode development: from initial heating and gas release to a general flash and subsequent extinction. It has been established that limiting oxygen access, reducing battery charge, and providing free space allow for the control and termination of the combustion process.
fire safety, lithium-ion batteries, thermal acceleration, thermophysical tests, transport containers
Совершенствование требований к методам испытаний контейнеров для транспортировки литий-ионных аккумуляторов
Введение
Интенсивное развитие электрификации транспорта и цифровизации привело к стремительному росту применения электрохимических аккумуляторов во всех сферах человеческой жизнедеятельности – от портативной электроники и медицинского оборудования до крупных систем накопления энергии и электромобилей. Современные литий-ионные аккумуляторы представляют собой сложные электрохимические устройства с высокой удельной энергоемкостью (до 200-300 Вт*ч/кг), многослойной конструкцией, состоящей из анода на основе графита или кремния, катода из оксидов металлов LiCoO2, NMC, NCA или LFP, а также органического электролита на основе карбонатов, пористого полимерного сепаратора и металлического (ламинированного) корпуса. Такая конструкция обеспечивает высокую эффективность, но в то же время представляет значительную пожарную опасность.
Особую опасность в ЛИА представляет явление теплового разгона [1-4] – необратимого самоускоряющегося процесса, при котором происходит стремительный рост температуры [5-6], разрушение внутренних элементов, интенсивное выделение токсичных газов, возможность взрыва и пламенного горения. Согласно некоторым источникам [2,7] процесс горения ЛИА может протекать в любых условиях, даже при отсутствии внешнего доступа кислорода за счёт его выделения из разрушенных частей аккумулятора.
Несмотря на всю опасность современные ЛИА оснащены многоуровневыми внутренними системами защиты, направленных на предотвращение инициирования или распространение теплового разгона, вызванного следующими факторами:
1. Перезаряд.
2. Короткое замыкание.
3. Механическое повреждение.
4. Перегрев.
Согласно анализу некоторых научных источников [8-10], такие системы защиты основаны на принципах термо-, электро-, и механочувствительности. Однако такие системы эффективны в контролируемых условиях и не являются достаточными для обеспечения безопасности при транспортировке. Транспортировка может подвергать батареи комбинированным внешним воздействиям, таким как повреждения корпусов батарей, полученные в результате механического воздействия (удары, вибрации, сдавливание), повышенные температуры, изменение давления и т.д. Эти факторы могут обойти внутренние механизмы защиты, инициируя каскадный тепловой разгон, что особенно характерно для крупных партий, где тепло от одной ячейки способно распространяться на соседние, вызывая цепную реакцию с выделением токсичных газов и пламенем, которое не поддается стандартному тушению.
ЛИА относятся к 9 классу опасных грузов, для которых нормативной базой предусмотрены требования безопасности к упаковке (контейнерам). Согласно существующим нормативным положениям, изложенными в Соглашении ДОПОГ, ГОСТ 26319-2020, ГОСТ Р 57478-2017, основные требования к контейнерам для транспортировки ЛИА ориентированы на предотвращение механического инициирования аварийных режимов и включают в себя нормативы прочности при падении контейнеров с высоты 1,2 м и штабелирования. При этом отсутствуют требования к теплоизолирующей способности конструкции контейнера, способные обеспечить локализацию начавшегося процесса теплового разгона.
Таким образом, обеспечение пожарной безопасности при транспортировке литий-ионных аккумуляторов требует перехода к принципиально новому подходу – созданию специализированных пожаробезопасных контейнеров с развитой пассивной защитой. Соответственно, разработка научно-обоснованных требований к таким конструкциям и методам испытаний в условиях, максимально приближенных к реальному тепловому разгону ЛИА, является актуальной научной и практической задачей [11]. При этом, учитывая, что аккумуляторы имеют разную химию с различным уровнем тепловыделения, для объективного обоснования эффективности выбранных технических решений требуется универсальный метод испытания теплофизических свойств конструктивного исполнения контейнеров. Такой подход позволит верифицировать защитные характеристики упаковки независимо от конкретной электрохимической системы, обеспечивая гарантированный уровень пожарной безопасности при перевозке.
Материалы и методы
Для проведения исследования была использована установка, позволяющая моделировать условия теплового разгона ЛИА в замкнутом объёме с контролируемыми параметрами [12-13]. Установка представляет собой стальной короб с размерами 500×500×500 мм и толщиной 3 мм, с внутренней отделкой из вермикулита толщиной 20 мм, позволяющего обеспечить термическую защиту и снизить теплопотери через стенки установки (Рис.1).
Внутри установки в нижней части размещен регулируемый нагреватель с максимальной температурой поверхности 100-120 ºC. На поверхности нагревательного элемента установлена стальная ёмкость с испытуемым аккумулятором. Контроль температуры осуществлялся на внутренней поверхности каждой стенки установки при помощи хромель-алюмелевых термопар (тип К). Регистрация параметров производилась в реальном времени с частотой 1 Гц с помощью многоканального измерительного комплекса на базе ПК. Дополнительно при испытаниях применялся тепловизор Testo 890-2 для визуального контроля теплопотерь части установки, а также видеокамера с частотой съёмки 30 кадр/с для фиксации визуальных проявлений процесса (вспышки, газовыделения, пламени).
Рис.1. Внешний вид испытательной установки
В качестве экспериментальных образцов были выбраны цилиндрические литий-ионные элементы питания формата 18650 двух номинальных ёмкостей – 2000 мАч и 3000 мАч (Рис.2). Выбор данных элементов обусловлен доступностью на российских онлайн магазинах и широким распространением. Все элементы произведены одним изготовителем, что обеспечило минимальную вариабельность электрохимических и конструктивных параметров.
Рис.2. Внешний вид цилиндрического элемента ЛИА
Основные технические характеристики исследованных элементов приведены в Таблице.
Таблица. Характеристики исследованных элементов ЛИА
|
Характеристика |
Аккумулятор № 1 |
Аккумулятор № 2 |
|
Емкость |
2000 мАч |
3000 мАч |
|
Внутреннее сопротивление |
<22mΩ |
<24mΩ |
|
Стандартное напряжение |
3,7 В |
3,7 В |
|
Напряжение во время работы |
2,75 В – 4,2 В |
2,75 В – 4,2 В |
|
Количество циклов перезарядки |
1000 раз |
1000 раз |
|
Размеры |
18,5 мм х 65,5 мм |
18,5 мм х 65,5 мм |
|
Вес |
44±1 г |
46±2 г |
|
Химический тип |
LiIon (литий-ионный) |
LiIon (литий-ионный) |
Для проведения испытаний были собраны аккумуляторные батареи, включающие в себя 18 элементов, размещённых в кассете в конфигурации трёх параллельных рядов по шесть элементов в каждом (Рис.3).
С целью реализации последовательного (S-P) соединения элементов между рядами была применена разнонаправленная ориентация полюсов. Элементы первого и третьего рядов были ориентированы положительными токовыводами вверх, тогда как элементы второго ряда – положительными токовыводами вниз. Данная конфигурация позволила оптимизировать траекторию соединения элементов никелированной лентой методом контактной сварки, минимизировав длину токоведущих путей и обеспечив компактность конструкции.
Риc.3. Схема сбора АКБ
Методика испытаний включала в себя:
1. Подготовку образца аккумулятора и оборудования.
2. Размещение испытываемого образца на нагревательную панель внутри экспериментальной установки.
3. Осуществление линейного нагрева аккумулятора после закрытия дверцы установки со скоростью 2-3 °С/с до инициирования теплового разгона.
4. Непрерывную регистрацию температуры, а также визуальную и тепловизионную фиксацию процесса.
Испытания проводились на открытой площадке с наличием средств пожаротушения для пожаров класса D.
Представленная выше методика позволила смоделировать условия развития теплового разгона ЛИА в закрытом объёме и получить температурные параметры для оценки пассивной защиты и проектирования пожаробезопасных транспортных контейнеров.
Результаты и их обсуждение
В ходе проведенных экспериментов была получена воспроизводимая картина развития процесса теплового разгона ЛИА в условиях закрытого объёма с ограниченной вентиляцией. Основные зарегистрированные стадии теплового разгона приведены ниже.
1. Начальная стадия медленного саморазогрева. После включения нагревательной панели фиксировался плавный рост температуры. Этот период соответствует разложению SEI-слоя и начальным экзотермическим реакциям с электролитом.
2. Стадия интенсивного газовыделения и разогрева газовой смеси перед вспышкой.
3. Общая вспышка. При достижении критических значений концентрации продуктов неполного сгорания и температуры самовоспламенения в газовой смеси наблюдалась общая вспышка, которая сопровождалась характерным звуком и резким скачком давления. Сброс давления происходил через имеющиеся неплотности и отверстия установки.
4. Стадия пламенного горения газов, выделяющихся из аккумулятора.
5. Стадия затухания. Несмотря на продолжающийся внешний нагрев аккумулятора горение прекращалось из-за недостатка кислорода и накопления инертных продуктов полного сгорания в экспериментальной области. Это подтверждает принципиальную возможность создания условий контролируемого прекращения горения ЛИА за счёт ограничения доступа кислорода и достаточного свободного объёма для разбавления газовой смеси.
Графические зависимости температуры от времени испытания для двух образцов аккумуляторов приведены на рисунке 4. Сравнительный анализ изменения температуры при нагревании двух аккумуляторов выявляет как общие закономерности, так и индивидуальные особенности. Оба графика демонстрируют схожую последовательность стадий развития процессов: начальный медленный разогрев, резкая вспышка, интенсивное горение с быстрым ростом температур и постепенное остывание. Однако наблюдаются различия в длительности активной фазы горения и в максимальных значениях температур, достигаемых в различных точках. Временной интервал между началом испытаний и моментом вспышки составил 205 секунд для первого образца и 197 секунд для второго, что указывает на некоторую вариабельность поведения различных экземпляров аккумуляторов при термическом воздействии. Наиболее интенсивная фаза активного горения характеризуется исключительно высокими скоростями нагрева. Для первого аккумулятора за 18 секунд наблюдается рост температур стенок контейнера с 45°C до 166°C. Аналогичная картина наблюдается для второго аккумулятора, однако рост температуры происходит стремительнее: за 15 секунд температура повышается с 42 °C до 166°C. Также анализ полученных данных позволяет сделать выводы о механизмах теплопереноса в аварийном режиме работы аккумуляторов. Высокие скорости нагрева на стадии активного горения обусловлены сочетанием конвективного теплопереноса от пламени и тепловыделения от продолжающихся химических реакций внутри аккумулятора. Пространственная неоднородность температурного поля свидетельствует о сложном характере теплопередачи, включающем теплопроводность через материалы аккумулятора, конвекцию газовых продуктов разложения и лучистый теплообмен.
Риc.4. Зависимость температуры на стенках установки от времени при тепловом разгоне аккумуляторов разной емкости
Полученные данные наглядно демонстрируют принципиальное несоответствие существующих требований к транспортной таре и теплофизическим нагрузкам, возникающих при тепловом разгоне ЛИА.
На основании полученных результатов эксперимента представляется возможным обосновать ключевые характеристики пассивной защиты конструкции контейнеров для транспортировки ЛИА, обеспечивающих повышение уровня безопасности и создания условий контролируемого прекращения горения:
1. Теплоизолирующая способность и термическая устойчивость внутренних слоев (в ходе эксперимента доказана принципиальная возможность применения конструкции «вермикулит + сталь»).
2. Наличие регламентированного свободного объёма внутри контейнера.
3. Наличие отверстий для сброса давления при возможном тепловом разгоне.
Конкретные количественные значения указанных параметров (толщина теплоизоляционного слоя, свободный объём, геометрия и пропускная способность отверстий для сброса давления) целесообразно уточнить и обосновать в ходе дополнительных испытаний.
Выводы
На основании анализа существующих нормативных документов, проведенных экспериментов и полученных результатов можно сформулировать следующие выводы:
1. Существующие требования к контейнерам для транспортировки ЛИА ориентированы преимущественно на механическую прочность и не учитывают тепловую нагрузку, связанную с возможным тепловым разгоном аккумуляторов. Это создаёт пробелы в обеспечении пожарной безопасности при транспортировке ЛИА.
2. Предварительные испытания на специальной установке продемонстрировали воспроизводимую динамику теплового разгона ЛИА в закрытом объёме. Установлено, что ограничение доступа кислорода, пониженный заряд аккумуляторов и наличие свободного объёма позволяют контролировать и прекращать процесс горения, что подтверждает эффективность пассивных мер защиты.
3. В качестве рекомендаций по совершенствованию нормативной базы предлагается ввести дополнительные требования к таким контейнерам, включая проведение испытаний для оценки теплоизолирующей способности и термической устойчивости конструкции контейнера к возможному внутреннему тепловому разгону.
4. За основу при разработке новых требований к методам испытаний и критериям оценки предлагается использовать данные и выводы настоящей статьи. При этом полученные результаты носят предварительный характер и требуют уточнения и расширения в ходе дальнейших исследований, включая:
- испытание контейнеров разных конструктивных решений и габаритов;
- использование аккумуляторов различных химических систем и форм-факторов;
- моделирование различных сценариев теплового разгона, в том числе и каскадного;
- определение нормативных значений характеристик контейнеров, призванных обеспечить пассивную защиту от теплового разгона (толщина теплоизоляции, минимальный свободный объем, параметры отверстий).
Реализация изложенных предложений позволит существенно повысить уровень пожарной безопасности при перевозке ЛИА и снизить риск возникновения и развития крупных пожаров на транспорте.
1. Eliseev Yu. N., Mokryak A. V. The main factors provoking the fire hazard of lithium-ion batteries // Fire and Explosion Safety. – 2021. – Vol. 30, No. 5. – Pp. 34-42.
2. Plotnikov V. G., Cheshko I. D., Kondratyev S. A. Fire hazard of lithium-ion batteries and low-voltage power supplies based on them // Fire Investigation. – 2014. – Pp. 53-58. EDN: https://elibrary.ru/YKLJZP
3. Eliseev Yu. N., Mokryak A. V. Analysis of the fire hazard of lithium-ion batteries // Scientific and analytical journal "Bulletin of the St. Petersburg University of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia". – 2020. – No. 3. – Pp. 14-17. EDN: https://elibrary.ru/SMRKKF
4. Kharlamenkov A. S. Fire Hazard of Using Lithium-ion Batteries in Russia // Fire and Explosion Safety. – 2022. – Vol. 31. – No. 3. – Pp. 96-102. DOI: https://doi.org/10.22227/0869-7493.2022.31.01.99-104; EDN: https://elibrary.ru/DHUDNE
5. Chen M. Et al. Experimental Study on the Combustion Characteristics of Primary Lithium Battery Fire // Fire Technology. – 2016. – Vol. 52. – No. 2. – Pp. 365-385. DOI: https://doi.org/10.1007/s10694-014-0450-1; EDN: https://elibrary.ru/UMOPVN
6. Park S. G, Kim S. W, Lee E. Ju Experimental Study on Fire Characteristics of Lithium-ion Battery Using a Cone Calorimeter // Fire Science and Engineering. – 2021. – Vol. 35. – No. 3. – Pp. 1-6. DOI: https://doi.org/10.7731/kifse.cf8b2c73; EDN: https://elibrary.ru/APRDVG
7. Kharlamenkov A. S. Modern Methods of Extinguishing Lithium-ion Batteries. Part 1 // Fire and explosion safety. – 2023. – T. 32. – No. 1. – Pp. 89-96. EDN: https://elibrary.ru/NDGMYU
8. Feng X. et al. Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review //Energy storage materials. – 2018. – T. 10. – Pp. 246-267. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2017.05.013
9. Wang Q. et al. Thermal runaway caused fire and explosion of lithium ion battery //Journal of power sources. – 2012. – T. 208. – Pp. 210-224. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.02.038
10. Liu K. et al. Materials for lithium-ion battery safety //Science advances. – 2018. – T. 4. – No. 6. – 11 p. DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.aas9820
11. Makarova T. P., Martinovich N. V., Baturo A. N. On the Need to Develop Fire-Safe Containers for Transporting Lithium-ion Batteries // Siberian Fire and Rescue Bulletin. – 2025. – No. 3 (38). – Pp. 269-284. DOI: https://doi.org/10.34987/vestnik.sibpsa.2025.70.37.026; EDN: https://elibrary.ru/DXYAKP
12. Makarova, T. P. Development of a Method for Monitoring Combustion Parameters of Substances and Materials in a Closed Volume: Dissertation for the Degree of Candidate of Technical Sciences / Makarova Tatyana Petrovna, 2024. – 146 p. – EDN HFEFCO.
13. Makarova, T. P. Development of a Laboratory Rig for Studying Combustion of Solids and Liquids in a Closed Volume / T. P. Makarova, A. N. Baturo, Yu. N. Bezborodov // South Siberian Scientific Bulletin. – 2023. – No. 4 (50). – Pp. 36-41. – DOIhttps://doi.org/10.25699/SSSB.2023.50.4.005. – EDN NGJRGE.
