Wczesne wykrywanie niekontrolowanego wzrostu temperatury akumulatorów litowo-jonowych
Akumulatory litowo-jonowe stwarzają wysokie ryzyko pożaru z powodu niekontrolowanego wzrostu temperatury, szczególnie w środowiskach magazynowania i produkcji o dużej gęstości. Tradycyjne metody wykrywania pożaru są reaktywne, wykrywając zagrożenia dopiero po rozpoczęciu rozkładu, co utrudnia wczesną interwencję i zwiększa ryzyko katastrofalnej awarii.
Systemy kamer termowizyjnych umożliwiają ciągły, bezkontaktowy monitoring termiczny w celu wykrycia przegrzania ogniw akumulatorów, zanim nastąpi niekontrolowany wzrost temperatury. Dzięki wczesnemu wykrywaniu powolnych wzrostów temperatury, zakłady mogą interweniować zapobiegawczo – schładzając lub izolując uszkodzone ogniwa – aby uniknąć pożarów i poprawić ogólne bezpieczeństwo obsługi akumulatorów.
Uzyskiwane korzyści
- Umożliwienie wczesnej interwencji, zanim akumulatory osiągną krytyczne etapy niekontrolowanego wzrostu temperatury.
- Zmniejszenie ryzyka pożaru podczas magazynowania, produkcji i recyklingu.
- Bezpieczny monitoring w środowiskach wysokiego napięcia bez kontaktu fizycznego.
- Wzrost bezpieczeństwa zakładu dzięki automatycznym systemom wykrywania i alarmowania punktów zapalnych.
- Minimalizacja kosztownych przestojów i strat zasobów spowodowane niewykrytymi awariami akumulatorów.
Zapobieganie zagrożeniom pożarowym i wczesne wykrywanie niekontrolowanego wzrostu temperatury akumulatorów litowo-jonowych
Zmiany klimatu spowodowane emisją gazów cieplarnianych stanowią problem globalny. Postęp technologiczny utorował drogę do czystszych procesów konwersji energii odnawialnej o zwiększonej wydajności. Jednak kluczowym wyzwaniem dla źródeł odnawialnych jest ich nieciągłość, która wymaga efektywnych systemów magazynowania energii w celu zapewnienia niezawodności. W tym globalnym przejściu na czystszą energię kluczowa jest rola systemów elektrochemicznych, a w szczególności akumulatorów litowo-jonowych (Li-ion). Akumulatory te odgrywają kluczową rolę w redukcji emisji z transportu i energii, stanowiąc podstawę dekarbonizacji i elektryfikacji sektora transportu, ogrzewania i przemysłu. Jako inżynierowie i specjaliści jesteście częścią tej znaczącej zmiany.
Wraz ze spadkiem kosztów akumulatorów i poprawą gęstości energii, pojawiają się liczne zastosowania, ukazujące potencjał akumulatorów litowo-jonowych. Akumulatory te są szeroko stosowane ze względu na wysoką gęstość energii i mocy, niski współczynnik samorozładowania oraz wydłużony cykl życia. Do popularnych składów należą LiMn2O4 (LMO), LiCoO2 (LCO) i LiFePO4 (LFP). Przyszłość rysuje się w jasnych barwach dzięki wszechstronności akumulatorów litowo-jonowych w różnych zastosowaniach.
Gęstość energetyczna akumulatora odnosi się do ilości energii zawartej w akumulatorze w porównaniu do jego masy lub rozmiaru, często nazywanej gęstością energetyczną właściwą (masową) i objętościową gęstością energetyczną (rozmiarową). Wysoka gęstość energetyczna jest korzystna w zastosowaniach wymagających kompaktowych, ale wydajnych akumulatorów. Jednak gromadzenie większej ilości energii w akumulatorze zwiększa również ryzyko niekontrolowanego wzrostu temperatury, co jest kluczowym czynnikiem wysokiego ryzyka pożaru ze względu na reaktywność i wrażliwość litu na ciepło. Elektrolity w akumulatorach litowo-jonowych są bardzo lotne i mogą prowadzić do zapłonu, stanowiąc zagrożenie pożarowe. Akumulatory nadal są narażone na ryzyko pomimo wbudowanych zabezpieczeń, zwłaszcza podczas produkcji, przechowywania i recyklingu. Niekontrolowany wzrost temperatury akumulatora staje się poważnym problemem dla firm zajmujących się produktami akumulatorowymi, ze względu na zwiększoną liczbę pożarów w centrach magazynowania, ładowania i recyklingu.
Niekontrolowany wzrost temperatury występuje w akumulatorach o dużej gęstości energii z powodu wad produkcyjnych lub niewłaściwego użytkowania, takiego jak przeładowanie, przegrzanie, przebicie lub zgniecenie. Gdy akumulator osiągnie temperaturę krytyczną, następuje reakcja łańcuchowa prowadząca do pożaru. Zjawisko to obejmuje łańcuchowe reakcje egzotermiczne wewnątrz akumulatora, powodujące gwałtowny wzrost temperatury wewnętrznej, destabilizację i degradację jego wewnętrznej struktury. Wewnętrzne przyczyny samozapłonu obejmują wady powłoki na powierzchni elektrody, cząstki zanieczyszczeń i słabe spoiny, prowadzące do zwarć elektrycznych i wytwarzania ciepła. Przyczyny zewnętrzne obejmują uszkodzenia elektryczne spowodowane przeładowaniem, uszkodzenia mechaniczne spowodowane zgnieceniem lub przebiciem oraz uszkodzenia termiczne spowodowane wysoką temperaturą. Te uszkodzenia są ze sobą powiązane; na przykład przebicie (uszkodzenie mechaniczne) może spowodować zwarcie (uszkodzenie elektryczne), wytwarzając ciepło i wywołując niekontrolowany wzrost temperatury.
Obecnie dostępne są różne systemy detekcji pożaru i czujniki do wczesnego ostrzegania i monitorowania obiektów. Systemy te mierzą zasysanie dymu, jego gęstość i temperaturę w wybuchających pożarach. Jednak systemy te wykrywają pożar dopiero po rozłożeniu się akumulatora, a nie przed wystąpieniem zagrożenia pożarowego. Ponadto, optymalne rozmieszczenie czujników ma kluczowe znaczenie dla wykrywania pożaru w środowiskach zewnętrznych lub o dużym przepływie powietrza; nieoptymalne rozmieszczenie czujników dymu może nie doprowadzić do całkowitego wykrycia pożaru. Dlatego najskuteczniejszym podejściem jest reagowanie zapobiegawcze poprzez identyfikację i usunięcie wadliwych ogniw akumulatora przed wystąpieniem pożaru. W takich sytuacjach wadliwy akumulator można schłodzić na wczesnym etapie, zapobiegając niekontrolowanemu wzrostowi temperatury. Ponadto, odizolowanie niebezpiecznych akumulatorów od innych łatwopalnych akumulatorów ograniczy skalę uszkodzeń. Środki zapobiegawcze i ciągły monitoring mają kluczowe znaczenie dla minimalizacji ryzyka.
Kamery termowizyjne zapobiegają pożarom akumulatorów: klucz do wczesnego wykrywania niekontrolowanego wzrostu temperatury
Niekontrolowany wzrost temperatury nie następuje nagle, ale w kilku etapach. Pierwszym etapem jest przegrzanie. Ten gwałtowny wzrost temperatury uruchamia kaskadę reakcji chemicznych i wzrost wytwarzania ciepła. Ta niekontrolowana reakcja egzotermiczna rozpoczyna się w temperaturze od około 70…100°C. Jeśli nie zostanie ugaszony, granica fazowa stałego elektrolitu ulega rozkładowi, powodując wzrost temperatury i zachodzenie kolejnych reakcji ubocznych, które mogą potencjalnie stopić separator. Wraz z kontynuacją nagrzewania i wzrostem tempa wzrostu temperatury, rozpoczyna się faza gwałtownego wzrostu temperatury. Niekontrolowany wzrost temperatury to samonagrzewanie się z szybkością co najmniej 10°C na minutę. W miarę przyspieszania, niekontrolowany wzrost temperatury prowadzi do niekontrolowanych wzrostów temperatury i wytwarzania toksycznych gazów. Ogniwo może pęknąć, zapalić się lub eksplodować w katastrofalnym zdarzeniu, a temperatury mogą osiągnąć 100…200°C lub więcej.
W przypadku produkcji ogniw akumulatorowych zorientowanej na objętość, zwłaszcza w przypadku braku systemu zarządzania akumulatorami, zastosowanie tradycyjnych czujników temperatury kontaktowej jest niewykonalne. Grupowanie i pakowanie ogniw akumulatorowych w pakiety akumulatorów wysokiego napięcia tworzy środowisko wysokiego napięcia, co stwarza wyzwania dla bezpieczeństwa pomiaru temperatury. Konwencjonalne metody, takie jak termopary, czujniki RTD i NTC, wykorzystujące izolowane układy elektroniczne i izolowane kable, wymagają specjalistycznej wiedzy elektryków i mogą zakłócać pracę obiektów wysokiego napięcia. Obecność grubej izolacji dodatkowo komplikuje zastosowania wielokanałowe w przestrzeniach zamkniętych, podkreślając potrzebę alternatywnych rozwiązań.
Systemy kamer termowizyjnych jako pierwsze alarmują przed rozwojem pożaru, wykrywając ciepło generowane przez akumulatory na wczesnym etapie rozwoju pożaru. Kamery termowizyjne mogą wykryć pożar, zanim pojawią się cząsteczki dymu lub płomienie. Do pomiaru powolnego wzrostu temperatury w czasie w pierwszej fazie, niezbędne są precyzyjne kamery termowizyjne skalibrowane pod kątem temperatury, a nie proste kamery do monitoringu w podczerwieni. W przeciwnym razie nie można precyzyjnie określić powolnego wzrostu temperatury przed katastrofalnym wzrostem temperatury, co prowadzi do fałszywych ostrzeżeń.
Ponadto akumulatory są często pakowane, przez co ogniwa nie są bezpośrednio widoczne, co zmniejsza różnice temperatur między sprawnymi a uszkodzonymi akumulatorami. Dokładne określenie tych różnic temperatur ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania katastrofalnym awariom. Solidna konstrukcja kamer termowizyjnych Optris zapewnia trwałość i łatwość instalacji, a stopień ochrony IP67 chroni je przed pyłem i wodą, dzięki czemu nadają się do trudnych warunków przemysłowych. Kamery termowizyjne z obiektywami szerokokątnymi zapewniają szerokie pole widzenia. Dzięki małemu polu widzenia (MFOV), wynikającemu z doskonałej jakości optyki i nachylenia detektora, informacje o temperaturze w punktach aktywnych mogą być poprawnie rozdzielone.
Automatyczne wykrywanie punktów zapalnych: klucz do zapobiegania pożarom akumulatorów dzięki kamerom termowizyjnym serii Xi
Kamery termowizyjne serii Xi, takie jak samodzielna kamera termowizyjna Xi 410, oferują automatyczne wykrywanie punktów zapalnych z wyjściem alarmowym, zapewniając natychmiastową reakcję na potencjalne problemy bez konieczności instalowania dodatkowego oprogramowania. Funkcja Hot Spot Finder umożliwia wczesne wykrywanie punktów zapalnych, zapobiegając ryzyku pożaru lub wybuchu, a tym samym unikając związanych z tym zagrożeń dla zdrowia, kosztownych przestojów i strat zasobów. Te systemy detekcji termicznej można zintegrować z systemami automatyki monitorującej obiekty i systemami gaśniczymi, aby skrócić czas reakcji na wykrycie pożaru i poprawić bezpieczeństwo pożarowe.
Kamery termowizyjne serii Xi wyróżniają się bezpośrednim połączeniem Ethernet, co umożliwia łatwą integrację z istniejącą infrastrukturą sieciową. Dostępność różnych układów optycznych dodatkowo zwiększa ich możliwości adaptacyjne do zróżnicowanych wymagań monitorowania. System samokontroli z sygnałem zabezpieczającym przed awarią zapewnia niezawodną pracę. System termowizyjny obsługuje również jednoczesne wyświetlanie obrazu z wielu kamer na jednym ekranie oprogramowania, umożliwiając kompleksowy monitoring dużych obszarów lub wielu akumulatorów. W przypadku regularnego monitorowania ogniw baterii, kamery termowizyjne zazwyczaj działają w zakresie długości fal LT tj. 8…14 µm.
Należy zauważyć, że systemy zapobiegania pożarom w podczerwieni, takie jak seria Xi, mają na celu uzupełnienie istniejących protokołów wykrywania i reagowania. Zamiast tego służą jako solidny system wczesnego ostrzegania, wykrywając obszary w obiekcie, w których może dojść do zapłonu. Zapobiegawcze środki wykrywania pożaru, w tym kamery termowizyjne, mają kluczowe znaczenie dla ograniczenia ryzyka niekontrolowanego wzrostu temperatury (ESR). Najskuteczniejszym podejściem jest identyfikacja przegrzewających się, wadliwych ogniw baterii przed wystąpieniem pożaru. Wczesne schłodzenie wadliwych baterii i oddzielenie ich od łatwopalnych może ograniczyć skalę uszkodzeń. Ciągły monitoring i wdrażanie inteligentnych systemów wykrywania pożarów, takich jak seria Xi, są niezbędne dla bezpieczeństwa pożarowego i zapobiegania pożarom.
Systemy termowizyjne nadają się do różnych etapów, takich jak magazynowanie, utylizacja, uruchomienie, produkcja, transport i gaszenie pożaru.