Badanie zagrożenia wystąpienia pożaru ogniw akumulatorów stosowanych w samochodach elektrycznych

• Autorzy: Lazarenko O. , Loik V. , Shtain B. , Riegert D.

Identyfikatory

DOI

10.12845/bitp.52.4.2018.7

Warianty tytułu

EN

Research on the Fire Hazards of Cells in Electric Car Batteries

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Aim: To carry out an analysis of the latest research in the field of fire hazard lithium-ion cells, which are used in accumulator batteries of electric cars. Proceeding from the obtained results of the research, to determine the direction of the subsequent research in the field of fire safety of lithium-ion accumulator batteries of electric cars. Methods: This work is based on the fundamental research of scientists from the US, China and other countries of the world, the results of which were presented in a variety of world scientific journals, conferences and national reports. Results: An analysis of literature sources has shown that research in the field of fire safety of lithium-ion batteries is carried out all around the world, as this technical device is constantly being modified and improved, as dictated by today's realities. The obtained research results show that the elementary lithium-ion cell contributes during combustion to the production of 6 to 10 kW of energy and a rather large number of dangerous combustion products, especially HF, POF3. Also, the results of the studies show unambiguously that the amount of energy released by lithium-ion cells supply as well as the amount of hazardous combustion products will depend on the degree of their charge. Furthermore, the shown research results unequivocally confirm that the amount of energy released by the lithium-ion battery depends on the degree of its charge. Based on the results of full-scale experiments, the average amount of water necessary to extinguish the battery of an electric car varies from 2500 to 6000 litres, which can exceed the amount of water carried by a single fire truck. The amount of thermal radiation at a distance of 1.5 meters from the model of a burning car with decor elements, is between 8.1 and 11.9 kW/m2. Laboratory analysis of samples of water, used to extinguish a car, showed the presence of hydrogen chloride (HCl) and hydrogen fluoride (HF) in concentrations 2–3 times higher and more than 100 times higher, than normal registered levels, respectively. No other corrosive or toxic compounds were found in the water samples. Conclusions: Subsequent work to investigate the fire safety of electric car accumulators and their supply elements can be devoted to conducting full-scale experiments on the extinguishing of real consumer electric cars. Followed by an assessment of the problems of access to batteries and the difficulty of their extinguishing, the risk of electric shock from the battery of an electric car and the possibility of using various extinguishing media should be explored. It is also very urgent to develop a mathematical model for the heating of a lithium-ion battery that takes into account the geometric shape of the element and its chemical composition.

PL

Cel: Wykonano analizę najnowszych badań w zakresie zagrożenia pożarowego, jakie mogą powodować akumulatory litowo-jonowe stosowane do zasilania samochodów elektrycznych. Na podstawie uzyskanych wyników badań ustalono kierunek dalszych badań w zakresie bezpieczeństwa pożarowego akumulatorów litowo-jonowych i samochodowych. Metody: Praca została oparta na analizie badań naukowców m.in. z USA i Chin, których wyniki zostały przedstawione w różnych czasopismach naukowych o zasięgu międzynarodowym, a także w materiałach konferencyjnych o zasięgu krajowym. Wyniki: Analiza literatury wskazuje, że badania w zakresie bezpieczeństwa pożarowego akumulatorów litowo-jonowych prowadzone są na całym świecie, co jest podyktowane ciągłym rozwojem tego typu urządzeń. Uzyskane wyniki badań wskazują, że pojedyncza bateria litowo-jonowa może wytworzyć od 6 do 10 kW energii i dużą ilość niebezpiecznych produktów spalania, zwłaszcza HF, POF3. Ponadto przedstawione wyniki badań jednoznacznie potwierdzają, że ilość energii uwalnianej przez baterię litowo-jonową zależy bezpośrednio od stopnia jej naładowania. Opierając się na wynikach badań w pełnej skali, średnia ilość wody potrzebnej do ugaszenia palącej się baterii samochodu elektrycznego waha się od 2500 do 6000 litrów. Tak duże zapotrzebowanie w wodę może powodować, że do ugaszenia takiego pożaru nie wystarczy tylko jeden pojazd pożarniczy. Ilość promieniowania cieplnego w odległości półtora metra od modelu płonącego samochodu z elementami wykończeniowymi waha się od 8,1 do 11,8 kW/m2. Badania laboratoryjne wody użytej do gaszenia samochodu wykazały obecność w niej chlorowodoru (HCl) oraz fluorowodoru (HF) w stężeniach odpowiednio dwu- trzykrotnie oraz stokrotnie wyższych niż normalne. W próbkach wody nie znaleziono żadnych innych substancji toksycznych lub korozyjnych. Wnioski: Konieczne jest prowadzenie dalszych prac koncentrujących się na bezpieczeństwie pożarowym w odniesieniu do baterii akumulatorowych pojazdów elektrycznych. Z wykonanej analizy tematu wynika, że istnieje konieczność prowadzenia badań w makroskali w celu określenia najlepszych sposobów gaszenia pożarów baterii akumulatorowych pojazdów elektrycznych. Dodatkowo niezbędne jest przeprowadzenie analizy możliwych do wystąpienia zagrożeń oraz opracowanie optymalnego sposobu gaszenia, a także określenie najskuteczniejszego środka gaśniczego, który może zostać do tego celu użyty. Istotne jest również opracowanie modelu matematycznego akumulatorów litowo-jonowych, który uwzględniać powinien kształt geometryczny baterii akumulatorowej oraz jej skład chemiczny.

Słowa kluczowe

EN

lithium-ion battery; electric car battery; electric car fire hazard; extinguishing of electric car

PL

bateria litowo-jonowa; akumulator samochodu elektrycznego; zagrożenie pożarowe samochodu elektrycznego; gaszenie pojazdów elektrycznych

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 52, iss. 4
• Strony: 108--117
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Lazarenko O.

• Lviv State University of Life Safety

autor

Loik V.

• Lviv State University of Life Safety

autor

Shtain B.

• Lviv State University of Life Safety

autor

Riegert D.

• Scientific and Research Centre for Fire Protection – National Research Institute

Bibliografia

• [1] Randall T., Here is how Electric Cars Will Cause the Next Oil Crisis, Bloomberg, [electr. doc.] https://www.bloomberg.com/features/2016-ev-oil-crisis/ [accessed: 25.02.2016].
• [2] Herron D., Model S Catches Fire in Norway at Supercharger, charging system seemingly at fault, The Long Tail Pipe. Evaluating the full Transportation and Energy life-cycle, [electr. doc.] https://long-tailpipe.com/2016/01/01/model-s-catches-fire-in-norway-at-supercharger-charging-system-seemingly-at-fault/ [accessed: 01.01.2016].
• [3] Tesla Model S Emergency Response Guide, 2016, [electr. doc.] https://www.tesla.com/sites/default/files/pdfs/first_responders/2016_Models_S_Emergency_Responders_Guide_en.pdf [accessed: 05.04.2018].
• [4] Casey C., Grant P.E., Fire Fighter Safety and Emergency Response for Electric Drive and Hybrid Electric Vehicles, Final Report, USA 2010, 135.
• [5] Arcus Ch., A Tale of 3 Battery Packs, Cleantechnica, [electr. doc.] https://cleantechnica.com/2016/01/06/a-tale-of-3-battery-packs/ [accessed: 01.06.2016].
• [6] Wang Q., Sun J., Chu G., Lithium Ion Battery Fire and Explosion, Fire safety science-proceedings of the eighth international symposium, 2005, 375–382, doi:10.3801/IAFSS.FSS.8-375.
• [7] Semenov N.N., Some Problems in Chemical Kinetics and Reactivity, Princeton University Press, 1959, doi.org/10.1016/c2013-0-05256-5.
• [8] Yu Y.H., Hasegawa K., Derivation of the Self-accelerating Decomposition Temperature for Self-reactive Substances Using Isothermal Calorimetry, “Journal of Hazardous Materials” 1996, 45, 193–205, doi.org/10.1016/0304-3894(95)00092-5.
• [9] Quintiere J.G., Crowley S., Walters R.N., Lyon R.E., Blake D., Fire Hazards of Lithium Batteries, U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administration, 2016, 50.
• [10] Spinner N.S., Hinnant K.M., Tuttle S.G., Rose-Pehrsson S.L., Lithium-Ion Battery Failure: Effects of State of Charge and Packing Configuration, Naval Research Laboratory 2016, 21, doi.org/10.21236/ada637422.
• [11] Larsson F., Andersson P., Mellander B-E., Lithium-Ion Battery Aspects on Fires in Electrified Vehicles on the Basis of Experimental Abuse Tests, “Batteries” 2016, 2, 13, doi:10.3390/batteries2020009.
• [12] Long R.T. Jr., Blum A.F., Bress T.J., Cotts B.R.T., Best Practices for Emergency Response to Incidents Involving Electric Vehicles Battery Hazards: A Report on Full-Scale Testing Results, Fire Protection Research Foundation: Quincy, MA, USA, 2013, 316.
• [13] Long R.T. Jr., Blum A.F., Emergency Response to Incidents Involving Electric Vehicle Battery Hazards: Full-Scale Testing Results, International Symposium on Fire Investigation Science and Technology, USA 2014 , 12.
• [14] Ribière P., Grugeon S., Morcrette M., Boyanov S., Laruelle S., Marlair G., Investigation on the fire-induced hazards of Li-ion battery cells by fire calorimetry, “Energy and Environ. Sci.” 2012, 5, 5271–5280, doi.org /10.1039/c1ee 0 2 218k .
• [15] Fu Y., Lu S., Li K., Liu C., Cheng X., Zhang H., An experimental study on burning behaviors of 18650 lithium ion batteries using a cone calorimeter, “Journal Power Sources” 2015, 273, 216–222, doi.org/10.1016/j.jpowsour.2014.09.039.
• [16] Chekannikov A. A., Kuz’mina A. A., Kulova T. L., Novikova S. A., Skundin A. M., Stenina I. A., Yaroslavtsev A. B., Development of Lithium-Ion Battery of the “Doped Lithium Iron Phosphateoped Lithium Titanate” System for Power Applications, in: Proceedings of the Scientific-Practical Conference Research and Development – 2016, 2016, 341–350, doi.org/10.1007/978-3-319-62870-7_37.
• [17] Golubkov W., Fuchs D., Wagner J., Wiltsche H.E., Stangl C., Fauler G., Voitic G., Thaler A., Hacker V., Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivin-type cathodes, “RSC Adv.” 2014, 4, 3633–3642, doi.org/10.1039/c3ra45748f.
• [18] Huang P., Wang Q., Li K., Ping P., Sun J., The combustion behavior of large scale lithium titanate battery, “Sci. Rep.” 2015, 5, doi:10.1038/srep07788