Экспериментальная оценка эффективности функциональных материалов, содержащих микрокапсулированный перфтор(2-метил-3-пентанон), для обеспечения пожарной безопасности литий-ионных аккумуляторных батарей транспортных средств

Введение. Растущий спрос на электрический транспорт требует новых методов и подходов для обеспечения пожарной безопасности литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). Наличие в их составе легковоспламеняющихся растворителей электролита и нестабильных материалов катода и анода обуславливает их высокую пожарную опасность и склонность к тепловому разгону. На сегодняшний день для локализации возгорания ЛИА на начальной стадии применяются только пассивные системы защиты, а методы активного пожаро­тушения не используются. Разработка новых способов, позволяющих реализовать активное пожаротушение на начальной стадии пожара, является актуальной задачей.

Цели и задачи. Оценить эффективность использования функциональных материалов, содержащих микрокапсулированное газовое огнетушащее вещество (ГОТВ) перфтор(2-метил-3-пентанон) (микрокапсулы с ФК 5-1-12) для ликвидации возгорания ЛИА.

Материалы и методы. Использовали пожаротушащие листы, содержащие 50 мас. % микрокапсул с ФК 5-1-12. Объект испытаний: ЛИА типа NMC 30Ач, сборка 2 и 6 штук. Тепловой разгон и возгорание ЛИА инициировали внешним нагревом.

Результаты и их обсуждение. Проведена экспериментальная оценка эффективности функциональных материалов для обеспечения пожарной безопасности сборок ЛИА. Установлено, что для сборки, состоящей из двух аккумуляторов, не было зафиксировано открытого горения, даже при использовании внешних источников зажигания. ГОТВ превентивно выделяется из материала и препятствует возгоранию, создавая внутри и снаружи сборки негорючую атмосферу. Для сборки, состоящей из шести ЛИА, защищенной функциональными материалами, также не наблюдалось открытого горения и значительного роста температуры во время проведения эксперимента. Отмечено замедление теплового разгона (с 15 с до 1,5 мин) без использования штатных систем охлаждения.

Выводы. Функциональные материалы, содержащие микрокапсулы с ФК 5-1-12, эффективно подавляют возгорание ЛИА. За счет превентивной эмиссии ГОТВ они не позволяют начаться открытому горению, значительно замедляют теплопередачу и скорость теплового разгона от аккумулятора к аккумулятору за счет отсутствия лучистого теплообмена и частичного отвода тепла.

1. Bajolle H., Lagadic M., Louvet N. The future of lithium-ion batteries: Exploring expert conceptions, market trends, and price scenarios // Energy Research and Social Science. 2022. No. 93. P. 102850. DOI: 10.1016/j.erss.2022.102850. EDN MRAUUQ.

2. Catenacci M., Verdolini E., Bosetti V., Fiorese G. Going electric: Expert survey on the future of battery technologies for electric vehicles // Energy Policy. 2013. No. 61. Pp. 403–413. DOI: 10.1016/j.enpol.2013.06.078

3. Spotnitz R., Franklin J. Abuse behavior of high-power, lithium-ion cells // Journal of Power Sources. 2003. No. 113 (1). Pp. 81–101. DOI: 10.1016/S0378-7753(02)00488-3. EDN BCZJGB.

4. Galushkin N.E., Yazvinskaya N.N., Galushkin D.N. Causes and mechanism of thermal runaway in lithium-ion batteries, contradictions in the generally accepted mechanism // Journal of Energy Storage. 2024. No. 86. P. 111372. DOI: 10.1016/j.est.2024.111372. EDN ZWGUHD.

5. Серцова А.А., Красильников С.В. Разработка функциональных пожаротушащих материалов для защиты литий-ионных аккумуляторов // Актуальные проблемы пожарной безопасности : мат. XXXV Междунар. науч.-практ. конф. М., 2023. С. 561–568. EDN BZEZYY.

6. He D., Wang J., Peng Ya., Li B., Feng Ch., Shen L. et al. Research advances on thermal runaway mechanism of lithium-ion batteries and safety improvement // Sustainable Materials and Technologies. 2024. No. 41. P. e01017. DOI: 10.1016/j.susmat.2024.e01017. EDN JSLMEH.

7. Kolbasov A.F., Endachev D.V., Olkhovsky I.A., Dvoenko O.V. Issues of operational and environmental safety in the aftermath of an accident of vehicles with high-voltage components // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021 International Symposium “Earth Sciences: History, Contemporary Issues and Prospects, ESHCIP 2021”. IOP Publishing Ltd, 2021. P. 012093. DOI: 10.1088/1755-1315/867/1/012093. EDN QIXNAJ.

8. Kolbasov A.F., Karpukhin K., Dvoenko O.V., Olkhovsky I.A. The main approaches to the system of fire extinguishing and elimination of consequences of accidents of electric vehicles // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021 International Symposium “Earth Sciences: History, Contemporary Issues and Prospects, ESHCIP 2021”. IOP Publishing Ltd, 2021. P. 012092. DOI: 10.1088/1755-1315/867/1/012092. EDN JWTTXC.

9. Ouyang D., Weng J., Wang Zh., Wang J., Chen M., Huang Q.A. Review on the Thermal Hazards of the Lithium-Ion Battery and the Corresponding Countermeasures // Applied Sciences. 2019. No. 9 (12). P. 483. DOI: 10.3390/app9122483. EDN VNYHQQ.

10. Харламенков А.С. Системы защиты ячеек и батарейных блоков с литий-ионными аккумуляторами. Часть 1 // Пожаровзрывобезопасность/Fire and explosion safety. 2022. № 30 (4). С. 76–79. EDN KPOESB.

11. Qin P., Sun J., Yang X., Wang Q. Battery thermal management system based on the forced-air convection : a review // eTransportation. 2021. No. 7. P. 100097. DOI: 10.1016/j.etran.2020.100097

12. Wu W., Wang S., Wu Wei, Chen K., Hong S., Lai Y. A critical review of battery thermal performance and liquid based battery thermal management // Energy Conversion and Management. 2019. No. 182. Pp. 262–281. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.12.051. EDN AHUJOD.

13. Wang H., Guo Ya., Ren Y., Yeboah S., Wang J., Long F. et al. Investigation of the thermal management potential of phase change material for lithium-ion battery // Applied Thermal Engineering. 2024. No. 236. P. 121590. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2023.121590. EDN LHASQV.

14. Mahmud Md., Rahman K.S., Rokonuzzaman Md., Habib A.K.M.A., Islam Md R., Motakabber S.M.A. et al. Lithium-ion battery thermal management for electric vehicles using phase change material : a review // Results in Engineering. 2023. No. 20. P. 101424. DOI: 10.1016/j.rineng.2023.101424. EDN MQETDN.

15. Харламенков А.С. Системы защиты ячеек и батарейных блоков с литий-ионными аккумуляторами. Часть 2 // Пожаровзрывобезопасность/Fire and explosion safety. 2022. № 31 (5). С. 83–86. EDN LMPEPG.

16. Серцова А.А., Красильников С.В. Микрокапсулированные огнетушащие агенты и функциональные материалы на их основе для защиты литий-ионных аккумуляторов // Огнезащита материалов и конструкций SPBPU FPM-2023 : сб. тезисов докладов I Междунар. науч.-практ. конф. 2023. С. 153–155. EDN HWUHAC.

17. Orendorff Ch.J., Roth E.P., Nagasubramanian G. Experimental triggers for internal short circuits in lithium-ion cells // Journal of Power Sources. 2011. No. 196 (15). Pp. 6554–6558. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2011.03.035

18. Zhang L., Jin K., Sun J., Wang Q. A Review of Fire-Extinguishing Agents and Fire Suppression Strategies for Lithium-Ion Batteries Fire // Fire Technology. 2022. No. 60. Pp. 817–858. DOI: 10.1007/s10694-022-01278-3

19. Харламенков А.С. Современные способы тушения литий-ионных аккумуляторов. Часть 1 // Пожаро­взрывобезопасность/Fire and explosion safety. 2023. № 32 (1). С. 89–96. EDN NDGMYU.

20. Si Rong-jun, Liu De-qi, Xue Shao-qian. Experimental Study on Fire and Explosion Suppression of Self-­ignition of Lithium Ion Battery // Procedia Engineering. 2018. No. 211. Pp. 629–634. DOI: 10.1016/j.­proeng.2017.12.057

21. Liu Y., Duan Q., Xu J., Chen H., Lu W., Wang Q. Experimental study on the efficiency of dodecafluoro-2-methyl­pentan-3-one on suppressing lithium-ion battery fires // RSC Advances. 2018. No. 8 (73). Pp. 42223–42232. DOI: 10.1039/C8RA08908F

22. Wang H., Sun Q., Guo Ju., Xie S., He Yu., Chen X. The Efficiency of Aqueous Vermiculite Dispersion Fire Extinguishing Agent on Suppressing Three Typical Power Batteries // Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage. 2021. No. 18 (2). Р. 020901. DOI: 10.1115/1.4048368. EDN AHECZO.

23. Pagliaro J.L., Linteris G.T. Hydrocarbon flame inhibition by C6F12O (Novec 1230): Unstretched burning velocity measurements and predictions // Fire Safety Journal. 2017. No. 87. Pp. 10–17. DOI: 10.1016/j.firesaf.2016.11.002

24. Said A.O., Stoliarov S.I. Analysis of effectiveness of suppression of lithium ion battery fires with a clean agent // Fire Safety Journal. 2021. No. 121. P. 103296. DOI: 10.1016/j.firesaf.2021.103296. EDN MPWPYZ.

25. Liang Ch., Jin K., Liu P., Wang Ch., Xu J., Li H. et al. The Efficiency of Perfluorohexanone on Suppressing Lithium-Ion Battery Fire and Its Device Development // Fire Technology. 2023. No. 59 (3). Pp. 1283–1301. DOI: 10.1007/s10694-023-01365-z. EDN CXOZBK.

26. Han Zh., Zhang X., Yu Yu., Du Zh., Hwang H.-Y., Liu L.L. et al. Experimental Investigation of Fire Extinguishing of a Full-Size Battery Box with FK-5-1-12 // Fire Technology. 2022. No. 59. Pp. 1269–1282. DOI: 10.1007/s10694-022-01273-8

27. Sun H., Zhang L., Duan Q., Wang Sh., Sun Sh., Sun J. et al. Experimental study on suppressing thermal runaway propagation of lithium-ion batteries in confined space by various fire extinguishing agents // Process Safety and Environmental Protection: Transaction of the institution of chemical engineers, part B. 2022. No. 167. Pp. 299–307. DOI: 10.1016/j.psep.2022.09.016. EDN PWZJZG.

28. Wang Q., Li K., Wang Y., Chen H., Duan Q., Sun J. The Efficiency of Dodecafluoro-2-Methylpentan-3-One on Suppressing the Lithium Ion Battery Fire // Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage. 2018. No. 15 (4). P. 041001. DOI: 10.1115/1.4039418

29. Zhang L., Ye F., Li Y., Chen M., Meng X., Xu J. et al. Experimental Study on the Efficiency of Dodecafluoro-2-Methylpentan-3-One on Suppressing Large-Scale Battery Module Fire // Fire Technology. 2022. No. 59. Pp. 1247–1267. DOI: 10.1007/s10694-022-01322-2

30. Lebkowski А. Electric Vehicle Fire Extinguishing System // Przeglad Elektrotechniczny. 2017. No. 93 (1). Pp. 329–332. DOI: 10.15199/48.2017.01.77

31. Guo Y., Wang X., Gao J., He Zh., Yao S., Zhou X. et al. In situ extinguishing mechanism and performance of self-portable microcapsule fire extinguishing agent for lithium-ion batteries // Journal of Energy Storage. 2024. No. 93. Р. 112393. DOI: 10.1016/j.est.2024.112393. EDN CYKPRS.

32. Sertsova A., Krasilnikov S., Lee S-S., Kim J-S. The effect of epoxy resin on the properties of encapsulated fire extinguishing agent // Fire Science and Engineering. 2019. No. 33 (5). Pp. 19–27. DOI: 10.7731/KIFSE.2019.33.5.019

33. Zhang W., Wu L., Du J., Tian J., Li Ya., Zhao Y. et al. Fabrication of a microcapsule extinguishing agent with a core-shell structure for lithium-ion battery fire safety // Materials Advances. 2021. No. 2 (14). Pp. 4634–4642. DOI: 10.1039/d1ma00343g. EDN CYYING.

34. Yuan L., Dubaniewicz T., Zlochower I., Thomas R., Rayyan N. Experimental study on thermal runaway and vented gases of lithium-ion cells // Process Safety and Environmental Protection: transaction of the institution of chemical engineers, part B. 2020. No. 144. Pр. 186–192. DOI: 10.1016/j.psep.2020.07.028. EDN ZDEYFW.

35. Seo D.M., Chalasani D., Parimalam B.S., Kadam R., Nie M., Lucht B.L. Reduction Reactions of Carbonate Solvents for Lithium Ion Batteries // ECS Electrochemistry Letters. 2014. No. 3 (9). Pр. 91–93. DOI: 10.1149/2.0021409

36. Yoshida H., Fukunaga T., Hazama T., Terasaki M., Mizutani M., Yamachi M. Degradation mechanism of alkyl carbonate solvents used in lithium-ion cells during initial charging // Journal of Power Sources. 1997. No. 68 (2). Pр. 311–315. DOI: 10.1016/S0378-7753(97)02635-9. EDN AJDYDF.

37. Shurtz R.C. A Thermodynamic Reassessment of Lithium-Ion Battery Cathode Calorimetry // Journal of The Electrochemical Society. 2020. No. 167 (14). P. 140544. DOI: 10.1149/1945-7111/abc7b4. EDN CQQTIJ.