چرا آتش باتری لیتیومی سخت خاموش می شود؟ راهکارهای جدید

ماهیت و مکانیزم کار باتری‌های لیتیومی: منبع انرژی پرقدرت اما حساس

باتری‌های لیتیومی، به ویژه نوع لیتیوم-یون، قلب تپنده بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی مدرن هستند. این باتری‌ها از چهار جزء اصلی تشکیل شده‌اند: آند (الکترود منفی)، کاتد (الکترود مثبت)، الکترولیت و جداکننده. آند معمولاً از گرافیت و کاتد از ترکیبات لیتیوم اکسید فلزی ساخته می‌شود. الکترولیت، که یک حلال آلی است، نقش واسطه‌ای برای حرکت یون‌های لیتیوم بین آند و کاتد را بر عهده دارد و جداکننده نیز از تماس مستقیم آند و کاتد جلوگیری می‌کند.

مکانیسم کار این باتری‌ها بر پایه حرکت یون‌های لیتیوم بین الکترودها استوار است. در زمان شارژ، یون‌های لیتیوم از کاتد جدا شده و از طریق الکترولیت به سمت آند حرکت می‌کنند. در زمان دِشارژ و تولید انرژی، این فرآیند معکوس شده و یون‌ها از آند به کاتد بازمی‌گردند. چگالی انرژی بالا، توانایی ذخیره‌سازی حجم زیادی از انرژی در فضایی کوچک، و عمر طولانی، باتری‌های لیتیومی را به گزینه‌ای بی‌بدیل در صنایع مختلف تبدیل کرده است. این مزایا، علی‌رغم خطرات بالقوه، استفاده گسترده از آن‌ها را توجیه می‌کند.

چرا آتش باتری لیتیومی تا این حد خطرناک و سخت خاموش می‌شود؟ بررسی عمیق عوامل

دشواری اطفاء حریق باتری‌های لیتیومی به مجموعه‌ای از عوامل شیمیایی و فیزیکی پیچیده بازمی‌گردد که آن را از آتش‌سوزی‌های معمولی متمایز می‌کند. درک این مکانیزم‌ها برای طراحی راهکارهای مؤثر در سیستم اطفاء حریق ضروری است.

پدیده “فرار حرارتی” (Thermal Runaway)

فرار حرارتی، هسته اصلی خطر در باتری‌های لیتیومی است. این پدیده به زنجیره‌ای از واکنش‌های شیمیایی گرمازا اشاره دارد که پس از شروع، به سرعت کنترل دما را از دست داده و به افزایش ناگهانی و شدید حرارت منجر می‌شود. شارژ بیش از حد، دشارژ بیش از حد، اتصال کوتاه داخلی یا خارجی، آسیب فیزیکی ناشی از ضربه یا سوراخ شدن، و نقص‌های ساختاری در سلول‌های باتری، همگی می‌توانند جرقه‌ای برای آغاز فرار حرارتی باشند.

با شروع فرار حرارتی در یک سلول، گرمای تولید شده به سرعت به سلول‌های مجاور منتقل شده و آن‌ها را نیز دچار فرار حرارتی می‌کند، که این امر به انتشار سریع آتش‌سوزی در کل پک باتری می‌انجامد. این زنجیره واکنش‌ها توقف ناپذیر است و کنترل آن نیازمند اقدامات فوری و مؤثر خنک‌سازی است.

الکترولیت قابل اشتعال و تولید گازهای سمی

الکترولیت مایع در باتری‌های لیتیومی حاوی حلال‌های آلی است که به شدت قابل اشتعال هستند. در دماهای بالا، این الکترولیت تجزیه شده و گازهای قابل اشتعالی مانند هیدروژن، مونوکسید کربن، متان و اتیلن تولید می‌کند. تجمع این گازها می‌تواند خطر انفجار را به شدت افزایش دهد. علاوه بر این، تجزیه الکترولیت می‌تواند منجر به انتشار گازهای سمی و خورنده از جمله اسید هیدروفلوئوریک شود که برای سلامت انسان و محیط زیست بسیار خطرناک هستند.

تولید اکسیژن داخلی و دمای بسیار بالای شعله

یکی از ویژگی‌های منحصر به فرد آتش‌سوزی باتری‌های لیتیومی، توانایی آن‌ها در تولید اکسیژن داخلی است. در دماهای بسیار بالا، مواد فعال کاتد (مانند لیتیوم کبالت اکسید) تجزیه شده و اکسیژن آزاد می‌کنند. این بدان معناست که حتی در محیط‌هایی که اکسیژن خارجی کمیاب یا ناموجود است، باتری می‌تواند به سوختن ادامه دهد، پدیده‌ای شبیه به سوختن مواد منفجره. شعله‌های ناشی از این آتش‌سوزی‌ها می‌توانند به دماهای بسیار بالا، حتی بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد، برسند که این دماهای شدید، چالش خنک‌سازی را دوچندان می‌کند و نیاز به سیستم اطفاء حریق FM200 یا سیستم مه آب (Water Mist) با قابلیت خنک‌کنندگی بالا را برجسته می‌سازد.

آتش‌سوزی باتری‌های لیتیومی به دلیل ترکیب پیچیده‌ای از فرار حرارتی، الکترولیت‌های قابل اشتعال و توانایی تولید اکسیژن داخلی، حتی در نبود اکسیژن محیطی، یک چالش اطفاء حریق منحصر به فرد و بسیار خطرناک را ایجاد می‌کند.

دشواری نفوذ مواد اطفائی

پک‌های باتری لیتیومی معمولاً دارای ساختاری متراکم و محفظه‌بندی شده هستند که دسترسی مواد اطفائی به سلول‌های داخلی و هسته آتش‌سوزی را دشوار می‌کند. این ساختار مانع از خنک‌سازی مؤثر و جلوگیری از انتشار فرار حرارتی می‌شود. به همین دلیل، اطفاء حریق صرفاً از سطح خارجی باتری اغلب بی‌اثر بوده و نیاز به روش‌هایی با توانایی نفوذ عمیق دارد.

راهکارهای نوین برای پیشگیری و مقابله با آتش‌سوزی باتری‌های لیتیومی

بهبود طراحی و ساخت باتری (پیشگیری اولیه)

پیشگیری از آتش‌سوزی باید از همان مرحله طراحی و ساخت باتری آغاز شود:

1. سیستم‌های مدیریت باتری (BMS) پیشرفته: این سیستم‌ها بر پارامترهای حیاتی باتری مانند دما، ولتاژ، جریان و وضعیت سلامت سلول‌ها نظارت دقیق دارند و در صورت بروز هرگونه ناهنجاری، اقدامات پیشگیرانه مانند قطع مدار را انجام می‌دهند.
2. مواد الکترولیت غیرقابل اشتعال (Non-flammable Electrolytes): پژوهشگران در حال توسعه الکترولیت‌هایی هستند که به جای حلال‌های آلی قابل اشتعال، از مواد غیرقابل اشتعال (مانند برخی ترکیبات فلوئوردار یا مایعات یونی) استفاده می‌کنند. این مواد می‌توانند خطر آتش‌سوزی را به میزان قابل توجهی کاهش دهند، هرچند چالش‌هایی مانند هزینه و کارایی نیز در پی دارند.
3. جداکننده‌های مقاوم در برابر حرارت (Thermal-resistant Separators): استفاده از جداکننده‌هایی که در دماهای بالا شکل خود را حفظ کرده و از اتصال کوتاه بین آند و کاتد جلوگیری می‌کنند، عامل مهمی در افزایش ایمنی است.
4. خنک‌سازی فعال و غیرفعال (Active/Passive Cooling Systems): سیستم‌های خنک‌کننده مایع (مانند آب یا گلیکول)، هوا یا مواد فاز-تغییرکننده (Phase-Change Materials) برای حفظ دمای بهینه باتری و جلوگیری از فرار حرارتی، به خصوص در باتری‌های پرظرفیت، حیاتی هستند.
5. باتری‌های خود خاموش شونده (Self-extinguishing Batteries): این فناوری نوین، شامل افزودن میکروکپسول‌های حاوی مواد اطفائی به الکترولیت است که در صورت افزایش دما و آسیب باتری، آزاد شده و آتش را در نطفه خفه می‌کنند.
6. طراحی مکانیکی مقاوم: محافظت فیزیکی از سلول‌ها در برابر ضربه و آسیب‌های خارجی از طریق طراحی پک‌های باتری با ساختار مستحکم، از بروز اتصال کوتاه و فرار حرارتی جلوگیری می‌کند.

فناوری‌های نوین اطفاء حریق (مقابله فعال)

1. آب خشک (Dry Water): این ماده نوین، که در رقبا نیز به آن اشاره شده، از قطرات ریز آب محصور شده در یک پوشش سیلیکونی آب‌گریز تشکیل شده است. “آب خشک” ظاهری پودری دارد اما از قابلیت خنک‌کنندگی بالای آب بهره می‌برد. مزایای آن شامل غیررسانا بودن (رفع مشکل اتصال برق در آب معمولی)، توانایی نفوذ عمیق‌تر و خنک‌کنندگی مؤثر است که آن را برای خاموش کردن آتش باتری برقی ایده‌آل می‌سازد.
2. استفاده از حجم زیاد آب: علی‌رغم مشکلات رسانایی، آب همچنان یکی از مؤثرترین مواد برای خنک‌سازی عمیق و توقف فرار حرارتی در باتری‌های لیتیومی بزرگ است. البته، رعایت نکات ایمنی مربوط به جریان برق، از جمله قطع منبع تغذیه، پیش از استفاده از آب ضروری است. استفاده از سیستم مه آب (Water Mist) نیز می‌تواند با تولید قطرات بسیار ریز آب، به خنک‌سازی سریع‌تر و جلوگیری از شعله‌ور شدن مجدد کمک کند.
3. مواد شیمیایی خاص و ژل‌های آتش‌نشانی: عوامل اطفائی مانند C6F-Ketone (که به عنوان جایگزین هالون‌ها شناخته می‌شود)، آئروسل‌ها و ژل‌های خنک‌کننده می‌توانند در برخی سناریوها مفید باشند. این مواد با جذب گرما یا مهار واکنش‌های شیمیایی عمل می‌کنند، اما چالش‌هایی مانند هزینه بالا، اثرات زیست‌محیطی و محدودیت در نفوذ به پک‌های باتری را دارند. برای مثال، اطفا حریق اتاق سرور که اغلب شامل باتری‌های پشتیبان لیتیومی است، نیازمند راهکارهایی مانند سیستم اطفاء حریق FM200 یا سیستم مه آب است که هم کارآمد باشند و هم به تجهیزات حساس آسیب نرسانند.
4. کانتینرهای مخصوص قرنطینه و خنک‌کننده: برای خودروهای برقی آتش‌گرفته یا باتری‌های بزرگ صنعتی، کانتینرهای مخصوصی طراحی شده‌اند که باتری را ایزوله کرده و با استفاده از آب یا سایر عوامل خنک‌کننده، دمای آن را کنترل می‌کنند تا از شعله‌ور شدن مجدد جلوگیری شود.
5. استفاده از مواد جاذب حرارت و گاز: موادی در حال توسعه هستند که می‌توانند گرمای اضافی و گازهای قابل اشتعال تولید شده توسط باتری را جذب کرده و خطر انفجار و انتشار سموم را کاهش دهند.

برای اطمینان از ایمنی در فضاهایی که تراکم بالای باتری‌های لیتیومی وجود دارد، مانند انبارهای بزرگ یا مراکز داده، نصب سیستم اعلام حریق هوشمند و دقیق حیاتی است. این سیستم‌ها شامل انواع دتکتور دود و دتکتور حرارتی هستند که می‌توانند نشانه‌های اولیه آتش‌سوزی یا افزایش دما را تشخیص داده و از طریق پنل مرکزی اعلام حریق، هشدار لازم را صادر کنند. 

روش اطفاء حریق	مزایا	محدودیت‌ها/چالش‌ها	کاربرد برای باتری لیتیومی
آب (حجم زیاد/مه آب)	خنک‌کنندگی عالی، در دسترس، ارزان	خطر اتصال برق، نفوذ دشوار به هسته، وزن زیاد	موثر برای خنک‌سازی عمومی و مهار فرار حرارتی
آب خشک (Dry Water)	خنک‌کنندگی عالی، غیررسانا، نفوذ نسبتاً بهتر	تکنولوژی جدید، هزینه تحقیق و توسعه، دسترسی کمتر	امیدوارکننده برای خاموش کردن آتش باتری برقی
سیستم اطفاء حریق FM200	غیررسانا، عدم آسیب به تجهیزات، اطفاء سریع حریق کلاس B و C	ظرفیت خنک‌کنندگی محدود، برای آتش‌های عمیق باتری کمتر مؤثر	مناسب برای اطفا حریق اتاق سرور قبل از فرار حرارتی کامل
عوامل شیمیایی/ژل‌ها	برخی غیررسانا، مهار واکنش‌های شیمیایی	هزینه بالا، اثرات زیست‌محیطی، محدودیت در نفوذ	مکمل برای خنک‌سازی اولیه یا در موارد خاص

پروتکل‌های عملیاتی و ایمنی برای آتش‌نشانان

پرسنل آتش‌نشانی نیازمند آموزش تخصصی و تمرینات عملی برای مقابله با این نوع حریق‌ها هستند. تجهیزات حفاظت فردی (PPE) ویژه و مقاوم در برابر حرارت و مواد شیمیایی، شامل ماسک‌های تنفسی پیشرفته و لباس‌های محافظت‌کننده، برای محافظت از آتش‌نشانان در برابر گازهای سمی و دمای بالا ضروری است. مدیریت صحنه حادثه شامل ایجاد یک منطقه ایمنی وسیع و قرنطینه باتری پس از اطفاء اولیه بسیار مهم است، زیرا خطر شعله‌ور شدن مجدد باتری می‌تواند تا ساعت‌ها یا حتی روزها وجود داشته باشد و نیاز به نظارت مداوم دارد.

چالش‌های پیش رو و آینده پژوهش در حوزه باتری‌های لیتیومی

با وجود پیشرفت‌های چشمگیر، چالش‌های متعددی در حوزه ایمنی باتری‌های لیتیومی پیش روی صنعت و محققان قرار دارد. استانداردسازی جهانی برای ایمنی باتری‌ها یک ضرورت است تا تمامی تولیدکنندگان به حداقل‌های ایمنی پایبند باشند. کاهش هزینه تولید مواد و فناوری‌های ایمن‌تر، از جمله الکترولیت‌های غیرقابل اشتعال و جداکننده‌های مقاوم، برای کاربرد گسترده آن‌ها در محصولات مصرفی ضروری است.

یافتن جایگزین‌های پایدار و دوست‌دار محیط زیست برای الکترولیت‌ها و عوامل اطفائی نیز از اهداف مهم پژوهشی است. با افزایش چگالی انرژی و حجم باتری‌ها در آینده، چالش‌های جدیدی در زمینه مدیریت حرارتی و اطفاء حریق پدیدار خواهد شد. در نهایت، بازیافت ایمن باتری‌های لیتیومی نیز یک معضل زیست‌محیطی و ایمنی است که نیازمند راهکارهای پایدار و مسئولانه است. همکاری بین صنعت، دولت و مراکز تحقیقاتی برای غلبه بر این چالش‌ها و تضمین آینده‌ای ایمن‌تر با فناوری لیتیوم، ضروری به نظر می‌رسد.

نتیجه‌گیری

آتش‌سوزی باتری‌های لیتیومی، پدیده‌ای پیچیده است که از ترکیب عوامل شیمیایی و فیزیکی ناشی می‌شود و اطفاء آن را به یکی از دشوارترین چالش‌های ایمنی مدرن تبدیل کرده است. از “فرار حرارتی” و الکترولیت‌های قابل اشتعال گرفته تا تولید اکسیژن داخلی و دمای بالای شعله، هر یک بر شدت و خطرناکی این حریق‌ها می‌افزایند. مقابله با این تهدید نیازمند رویکردی جامع و چندوجهی است؛ از بهبود طراحی باتری‌ها با استفاده از BMS پیشرفته و الکترولیت‌های غیرقابل اشتعال تا توسعه فناوری‌های نوین اطفاء حریق مانند “آب خشک” و سیستم مه آب (Water Mist).

همچنین، آموزش و تجهیز پرسنل امدادی و استانداردسازی پروتکل‌های ایمنی، به ویژه با رعایت استاندارد NFPA، از اهمیت بالایی برخوردار است. شرکت‌هایی مانند پیشگام گستر راتین با ارائه سیستم‌های اعلام حریق هوشمند و راهکارهای جامع اطفا حریق اتاق سرور، نقش کلیدی در ارتقای سطح ایمنی و آمادگی در برابر این حریق‌های خاص دارند. با ادامه تحقیقات و همکاری‌های بین‌المللی، می‌توان به سمت آینده‌ای روشن‌تر با باتری‌های لیتیومی ایمن‌تر و راه‌حل‌های مؤثرتر برای مقابله با خطرات احتمالی آن‌ها گام برداشت.

سوالات متداول

چه تفاوتی بین آتش باتری لیتیومی و آتش‌سوزی‌های معمولی وجود دارد؟

آتش باتری لیتیومی شامل فرار حرارتی، تولید اکسیژن داخلی و سوختن الکترولیت قابل اشتعال است که آن را از آتش‌سوزی‌های معمولی که به اکسیژن خارجی وابسته و مواد سوختنی متفاوتی دارند، متمایز می‌کند.

آیا می‌توان از کپسول آتش‌نشانی معمولی (پودر خشک، CO2) برای خاموش کردن آتش باتری لیتیومی کوچک استفاده کرد؟

برای آتش‌سوزی‌های بسیار کوچک و اولیه، ممکن است کپسول پودر خشک یا CO2 موقتاً شعله‌های سطحی را مهار کند، اما برای جلوگیری از فرار حرارتی عمیق و شعله‌ور شدن مجدد باتری‌های لیتیومی، مؤثر نیستند و باید با آب یا مواد خنک‌کننده دیگر ادامه داد.

در صورت آتش‌گرفتن یک دستگاه الکترونیکی کوچک با باتری لیتیومی (مانند گوشی موبایل یا لپ‌تاپ) چه اقدامات اولیه باید انجام داد؟

فورا دستگاه را از برق بکشید، به محل باز و امن منتقل کنید، و با استفاده از حجم زیادی آب (در صورت امکان و با احتیاط از نظر برق گرفتگی) آن را خنک کرده و از تماس مستقیم دست خودداری کنید؛ سپس با آتش‌نشانی تماس بگیرید.

پدیده “فرار حرارتی” دقیقاً به چه معناست و چگونه باعث می‌شود آتش باتری لیتیومی چندین بار شعله‌ور شود؟

فرار حرارتی زنجیره‌ای از واکنش‌های شیمیایی گرمازا در باتری است که به افزایش کنترل‌ناپذیر دما منجر می‌شود؛ این گرما به سلول‌های مجاور منتقل شده و حتی پس از اطفاء اولیه نیز ممکن است سلول‌های داخلی مجدداً شعله‌ور شوند.

باتری‌های لیتیومی “خود خاموش شونده” و استفاده از “آب خشک” چه زمانی به صورت گسترده در دسترس عموم قرار خواهند گرفت؟

باتری‌های خود خاموش شونده و فناوری “آب خشک” در مراحل تحقیقاتی و توسعه پیشرفته قرار دارند و انتظار می‌رود با حل چالش‌های تولید انبوه و کاهش هزینه، در سال‌های آینده به تدریج وارد بازار گسترده‌تر شوند.