Аккумуляторы для электромобилей (BEV), гибридных электромобилей (PHEV) и гибридных электромобилей (HEV) находятся на переднем крае современных автомобильных технологий, стимулируя переход к экологически безопасному транспорту. Но знаете ли вы, как они работают?
Давайте изучим химию, в том числе риски возгорания, связанные с этими портативными электростанциями, и поможем прояснить химию и безопасность электрических батарей.
Все аккумуляторы электромобилей (обычно напряжением 200–900 В постоянного тока) основаны на передовой химии, обеспечивающей эффективные и надежные источники питания. Два наиболее часто используемых типа аккумуляторов — литий-ионные (Li-ion) и никель-металлогидридные (NiMH).
Литий-ионные аккумуляторы становятся все более распространенными и являются предпочтительным выбором для большинства электромобилей и другого электронного оборудования из-за их высокой плотности энергии, относительного веса и длительного срока службы. Они состоят из положительного электрода (катода), отрицательного электрода (анода) и электролита. Катод обычно содержит оксиды металлического лития, такие как оксид лития-кобальта (LiCoO2) или фосфат лития-железа (LiFePO4), тогда как анод часто изготавливается из графита. Электролит, обычно соль лития в органическом растворителе, облегчает перемещение ионов лития между электродами во время циклов зарядки и разрядки.
С другой стороны, NiMH аккумуляторы, которые обычно используются в гибридных автомобилях, все еще доступны, и для некоторых производителей, таких как Toyota, они были основой на протяжении многих лет. Они имеют положительный электрод на основе никеля, поглощающий водород отрицательный электрод (обычно состоящий из гидрида металла) и щелочной электролит, такой как гидроксид калия (КОН). NiMH аккумуляторы обеспечивают хорошую выходную мощность, экономичность и безопасность, хотя имеют меньшую плотность энергии по сравнению с литий-ионными аккумуляторами.
Химия, лежащая в основе этих батарей, вращается вокруг электрохимических реакций. Во время зарядки литий-ионные аккумуляторы подвергаются процессу, называемому интеркаляцией, при котором ионы лития перемещаются от катода к аноду, внедряясь в структуру графита. Разрядка обращает этот процесс вспять, позволяя ионам лития мигрировать обратно к катоду, создавая при этом электрический ток.
Аналогично, NiMH аккумуляторы работают на основе электрохимических окислительно-восстановительных реакций. Зарядка включает окисление положительного электрода на основе никеля и восстановление поглощающего водород отрицательного электрода, который поглощает и выделяет ионы водорода. Во время разряда происходят обратные реакции, высвобождающие запасенную энергию.
Оба химического состава аккумуляторов требуют сложных систем управления для обеспечения безопасной и эффективной работы. Такие факторы, как температура, пределы напряжения и скорость зарядки, должны тщательно регулироваться, чтобы максимизировать производительность аккумулятора, его долговечность и безопасность.
Все аккумуляторы электромобилей хранят значительное количество энергии. Литий-ионные аккумуляторы могут испытывать термический разгон — быстрое, неконтролируемое повышение температуры, которое может привести к возгоранию при экстремальных температурах. Возгорание аккумулятора электромобиля может достигать температуры более 2000 градусов по Цельсию — большинство распространенных металлов, включая сталь, начинают плавиться при температуре чуть более 1200 градусов по Цельсию, чтобы дать некоторую перспективу.
Несмотря на то, что современные системы управления аккумуляторами улучшили меры безопасности, инциденты все равно могут произойти, особенно при сильных столкновениях или при повреждении аккумулятора. Кроме того, химические вещества, используемые в аккумуляторах электромобилей, могут представлять опасность при неправильном обращении или воздействии на них. Литий-ионные аккумуляторы содержат легковоспламеняющиеся электролиты, которые могут выделять токсичные газы, такие как фторид.
Чтобы смягчить эти опасности, производители внедряют функции безопасности, такие как системы управления температурным режимом, надежные аккумуляторные корпуса и сложные системы управления батареями. Эти электронные системы играют решающую роль в управлении распределением мощности (если хотите, «контролируют химические процессы»), а также контролируют работу автомобиля и контролируют компоненты трансмиссии.
Производители и регулирующие органы предоставляют подробные инструкции по безопасному хранению. Но помните: поврежденный автомобиль может больше не выглядеть так, как указано в руководстве.
Но что произойдет, если автомобиль загорится?
При возникновении пожара на электромобиле первым делом следует уделить первоочередное внимание безопасности. Немедленно свяжитесь с местными службами экстренной помощи, изолируйте транспортное средство, если это возможно, и предоставьте точную информацию о местонахождении и типе пострадавшего транспортного средства. Если возможно, покиньте помещение, чтобы обеспечить безопасность находящихся рядом прохожих.
Обучение и знания здесь играют ключевую роль. Производители и регулирующие органы предоставляют подробные инструкции по безопасному хранению. Но помните: поврежденный автомобиль может больше не выглядеть так, как указано в руководстве. Лица, оказывающие первую и вторичную помощь, а также лица, занимающиеся обслуживанием, обслуживанием или транспортировкой электромобилей, должны пройти специальную подготовку по обращению с электромобилями и возможностям возникновения пожаров.
Это обучение должно охватывать уникальные свойства аккумуляторов электромобилей и правильные методы тушения таких пожаров.
Здесь действуют несколько факторов. Большинство возгораний электромобилей имеют потенциал неконтролируемого теплового воздействия, а также наличие легковоспламеняющегося жидкого электролита. Хотя иногда рекомендуются пенные и сухие химические методы, Национальное агентство противопожарной защиты США, которое руководствуется как американскими, так и канадскими подходами, рекомендует воду — и в больших количествах.
Воду можно использовать для охлаждения аккумулятора и подавления теплового разгона, который, опять же, представляет собой неконтролируемое повышение температуры, приводящее к развитию пожара или даже взрывам. Для охлаждения и тушения пожара электромобиля может потребоваться более 30 000 литров воды.
Нанесение водяного тумана или мелкодисперсной струи воды более эффективно, чем прямая струя, чтобы избежать распространения опасных химикатов. Однако не рекомендуется использовать струю воды под высоким давлением, так как это может повредить корпус аккумулятора и усугубить ситуацию.
Литий-ионные аккумуляторы склонны к возгоранию, особенно при перемещении, и могут гореть в течение нескольких дней, поэтому необходимо учитывать, как транспортное средство транспортируется или хранится после этого.
Разрабатываются химические и пенные средства пожаротушения, а также использование топок, цементных или металлических ограждений, которые будут эффективны при тушении, изоляции и контроле пожаров на электромобилях. Инфраструктура как на наших автомагистралях, так и в местах установки зарядных станций должна учитывать эти вопросы на этапах планирования. Важно использовать изолированные и открытые бункерные зоны или выделенные зарядные зоны. Наша рекомендация операторам автопарков или объектам хранения этих транспортных средств или их аккумуляторов — изолировать их.
Борьба с пожарами на электромобилях в Северной Америке и Европе требует комплексного подхода, который будет включать в себя хорошо обученных специалистов первой помощи, информационные кампании, специализированные средства индивидуальной защиты и правильные методы изоляции или тушения пожара.
Сегодня эти явления единичны. Но поскольку мы видим все больше транспортных средств, особенно тех, которые находятся в автопарке или в городской среде, где может произойти более масштабная пожарная катастрофа, между производителями автомобилей, государственными регулирующими органами и агентствами экстренных служб необходимо разработать более совместные протоколы пожарной безопасности при возгорании электромобилей, включая проектирование. дорог и парковочных мест.
Следуя этим рекомендациям и поощряя совместные усилия, мы можем эффективно снизить риски, связанные с пожарами на электромобилях, и обеспечить безопасность сообществ, использующих электрическую мобильность.
Первоначально получивший образование химика, Дэвид Майерс является генеральным директором Environmental Motorworks, инновационной сервисной компании, предоставляющей практическое обучение электромобилям и гибридным технологиям для технических специалистов и операторов автопарков в секторах автомобилестроения и тяжелого оборудования.
Эта статья появилась в осеннем выпуске EV World.