بازار باتری‌های لیتیوم-یون (Li-Ion) با سرعتی در حال گسترش است که همچنان از توسعه کدها و استانداردهای طراحی‌شده برای مدیریت آن پیشی می‌گیرد. از دوچرخه‌های برقی مسکونی گرفته تا سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی باتری (BESS) در مقیاس بزرگ، فناوری لیتیوم-یون اکنون تقریباً در هر بخش از محیط ساخته‌شده - در هر قاره و حوزه قضایی - تعبیه شده است. برای متخصصان و پیمانکاران حفاظت از آتش در سراسر جهان، این گسترش، مجموعه‌ای از چالش‌های طراحی سریع و از نظر فنی طاقت‌فرسا را ایجاد کرده است، چالش‌هایی که مستلزم درک کاملی از علم خطرات زیربنایی و وضعیت فعلی الزامات تجویزی و مبتنی بر عملکرد است. در حالی که کدها و استانداردهای ارجاع‌شده منعکس‌کننده محیط نظارتی ایالات متحده هستند، علم خطرات زیربنایی، اصول طراحی و پروتکل‌های آزمایش در سطح جهانی قابل اجرا هستند و به‌طور فزاینده‌ای توسط مقامات دارای صلاحیت در سراسر جهان مورد ارجاع قرار می‌گیرند.
خطر اصلی: فرار حرارتی
قبل از پرداختن به معیارهای طراحی، درک این نکته ضروری است که اساساً چه چیزی باتری‌های لیتیوم-یون را از خطرات آتش‌سوزی مرسوم متمایز می‌کند. خطر اصلی، فرار حرارتی است - که توسط NFPA 855 به عنوان شرایطی تعریف شده است که در آن یک سلول الکتروشیمیایی دمای خود را از طریق خودگرمایی به روشی غیرقابل کنترل افزایش می‌دهد و به طور بالقوه منجر به انتشار گاز، آتش‌سوزی یا انفجار می‌شود.
برخلاف آتش‌سوزی‌های سنتی کلاس B یا کلاس C، فرار حرارتی یک رویداد الکتروشیمیایی داخلی است. پس از شروع، نمی‌توان آن را با سیستم اطفاء حریق متوقف کرد. چهاروجهی آتش مستقیماً اعمال نمی‌شود؛ حذف اکسیژن از جو، فرار حرارتی را متوقف نمی‌کند - بلکه صرفاً از احتراق گازهای قابل احتراق آزاد شده جلوگیری می‌کند، که می‌توانند در غلظت‌های شعله‌ور شدن تجمع یابند. این یک ملاحظه طراحی حیاتی است که بلافاصله برخی از فناوری‌های اطفاء حریق، به ویژه آن‌هایی که محفظه را از اکسیژن محروم می‌کنند، را فاقد صلاحیت می‌کند.
فرار حرارتی می‌تواند در اثر سوء استفاده حرارتی (گرمای بیش از حد یا از دست دادن خنک‌کنندگی)، سوء استفاده الکتریکی (شارژ یا دشارژ بیش از حد) یا آسیب فیزیکی به سلول ایجاد شود. هنگامی که یک سلول واحد وارد فرار حرارتی می‌شود، انتشار آن به سلول‌های مجاور بسیار محتمل است، مگر اینکه جداسازی کافی یا خنک‌سازی فعال وجود داشته باشد.
پیامد عملی برای طراحی آب‌پاش: هدف سیستم آب‌پاش آتش‌نشانی که از باتری‌های لیتیوم-یون محافظت می‌کند، خاموش کردن خودِ رویداد حرارتی نیست - بلکه مهار آن است. سیستم باید سلول‌های مجاور را به اندازه کافی خنک کند تا انتشار آن به قفسه، قفسه یا وسیله نقلیه‌ای که رویداد از آنجا سرچشمه گرفته است، محدود شود. این اصل صرف نظر از اینکه کدام چارچوب کد ملی یا منطقه‌ای بر یک پروژه خاص حاکم است، پابرجا می‌ماند.
شیمی باتری و وضعیت شارژ
همه باتری‌های لیتیوم-یون مشخصات خطر یکسانی ندارند. ترکیب شیمیایی ماده کاتد به طور قابل توجهی بر چگالی انرژی و شدت فرار حرارتی تأثیر می‌گذارد. ترکیبات شیمیایی رایج شامل اکسید کبالت لیتیوم نیکل منگنز (NMC)، فسفات آهن لیتیوم (LFP)، اکسید آلومینیوم کبالت لیتیوم نیکل (NCA) و اکسید کبالت لیتیوم (LCO) و موارد دیگر است.
تحقیقات آزمایشگاه‌های ملی ساندیا نشان می‌دهد که اگرچه انرژی ذخیره‌شده بیشتر با آنتالپی فرار حرارتی کل بیشتر مرتبط است، باتری‌هایی با انرژی ویژه بالاتر، آن انرژی را سریع‌تر و با نرخ اوج آزادسازی حرارت بیشتری آزاد می‌کنند. ترکیبات شیمیایی NMC و NCA چگالی انرژی بالاتری نسبت به LFP دارند، اما رویدادهای فرار حرارتی شدیدتری ایجاد می‌کنند. ترکیب شیمیایی باتری موجود در یک نصب خاص مستقیماً بر معیارهای حفاظت مناسب تأثیر می‌گذارد - متخصصان نباید صرف نظر از صلاحیت قضایی، رویکرد یکسانی را برای همه در نظر بگیرند. وضعیت شارژ (SOC) نیز به همان اندازه مرتبط است. یک سلول با ۱۰۰٪ SOC، در مقایسه با یک سلول مشابه با ۳۰٪ SOC، دچار فرار حرارتی به طور قابل توجهی شدیدتری خواهد شد، به طوری که دمای اوج، نرخ گرمایش اوج و آنتالپی فرار به طور قابل توجهی بالاتر خواهد بود. آستانه‌های SOC - معمولاً ۶۰٪ - در چندین چارچوب، از جمله برگه‌های اطلاعات FM Global، برای تعریف طبقه‌بندی کالاهای ذخیره‌سازی و تعیین معیارهای طراحی قابل اجرا استفاده می‌شوند. بنابراین، درک SOC عملیاتی یک نصب مشخص، یک ورودی طراحی مواد است، نه یک ملاحظه ثانویه.
چشم‌انداز نظارتی: الزامات از کجا می‌آیند؟
برخلاف اکثر خطرات کالا، هیچ سند تجویزی جهانی واحدی وجود ندارد که باتری‌های لیتیوم-یون را در تمام کاربردها پوشش دهد. حتی در چارچوب ایالات متحده، معیارهای طراحی باید بسته به مورد استفاده خاص، از منابع همپوشانی متعددی استخراج شوند. در سطح بین‌المللی، تصویر حتی متنوع‌تر است، اگرچه پروتکل‌های آزمایش اساسی - به ویژه UL 9540A - به طور فزاینده‌ای توسط تنظیم‌کننده‌ها و مقاماتی که صلاحیت قضایی فراتر از آمریکای شمالی دارند، ارجاع داده می‌شوند. NFPA 13 صراحتاً باتری‌های لیتیوم-یون را از محدوده خود برای اهداف طراحی آب‌پاش مستثنی می‌کند. الزامات نصب همچنان اعمال می‌شود، اما تراکم‌ها و مساحت‌های طراحی باید از جای دیگری تأمین شوند. استاندارد NFPA 855 استاندارد اصلی ایالات متحده برای سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی ثابت است. برای تأسیسات تجاری داخلی مطابق با این استاندارد - که در آن گروه‌های ESS از 50 کیلووات ساعت در هر کدام با فاصله حداقل 3 فوت تجاوز نمی‌کنند - چگالی اسپرینکلر تجویز شده 0.3 گالن در دقیقه بر فوت مربع در مساحت بیش از 2500 فوت مربع است. ساختمان‌های غیر اختصاصی به ازای هر منطقه آتش‌سوزی به 600 کیلووات ساعت محدود می‌شوند. ساختمان‌های اختصاصی چنین محدودیت انرژی ندارند، مشروط بر اینکه جداسازی‌های مناسب برای آتش‌سوزی و محدودیت‌های اشغال رعایت شوند. در مواردی که یک ترتیبات آستانه‌های تجویزی NFPA 855 را برآورده نکند، آزمایش در مقیاس بزرگ طبق UL 9540A مورد نیاز است.
برگه اطلاعات جهانی FM 5-33، نصب سیستم‌های ذخیره انرژی لیتیوم-یونی با ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی (BESS) بیشتر از 20 کیلووات ساعت را تعیین می‌کند و معیارهای مبتنی بر مکان را مشخص می‌کند که بر اساس نزدیکی به مناطق در معرض خطر، تعداد دیوارهای خارجی قابل دسترس و ترکیب شیمیایی باتری متفاوت است. نصب سیستم‌های NMC به فاصله‌گذاری راهروهای بیشتری نسبت به نصب سیستم‌های LFP نیاز دارد. در صورت برآورده شدن الزامات مکان، چگالی آب‌پاش نیز 0.3 گالن در دقیقه بر فوت مربع در کل منطقه آتش‌سوزی است و مدت زمان تأمین آب برای هر قفسه باتری مجاور و جدا نشده، 45 دقیقه است.
برگه اطلاعات جهانی FM 7-112 مرجع اصلی برای ذخیره‌سازی انبوه باتری است که طبقه‌بندی کالاها را بر اساس SOC، ارتفاع سقف، ارتفاع ذخیره‌سازی و بسته‌بندی ارائه می‌دهد که برای معیارهای طراحی اسپرینکلر مربوطه به برگه اطلاعات FM 8-9 ارجاع داده می‌شوند.
این اسناد آمریکایی به طور گسترده در بازارهای جهانی - به ویژه برای پروژه‌های چندملیتی تولید، لجستیک و ذخیره‌سازی انرژی - مورد استفاده قرار می‌گیرند و آشنایی با آنها از نظر حرفه‌ای بسیار فراتر از آمریکای شمالی اهمیت دارد.
UL 9540A: مسیر مبتنی بر عملکرد
برای اکثر تأسیسات ESS در مقیاس بزرگ، مسیر تجویزی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست - محدودیت‌های چگالی انرژی، هزینه هر فوت مربع را بسیار زیاد می‌کند. در نتیجه، اکثر پروژه‌های تجاری شامل یک طراحی مبتنی بر عملکرد هستند که از طریق آزمایش UL 9540A تأیید شده است، پروتکلی که به عنوان روش معیار برای ارزیابی انتشار آتش‌سوزی حرارتی در سیستم‌های ذخیره انرژی باتری، توجه بین‌المللی قابل توجهی را به خود جلب کرده است.
UL 9540A یک پروتکل تست چند مرحله‌ای با چهار سطح است: سلول، ماژول، واحد و نصب. هر سطح، سیستم باتری را در معرض یک رویداد فرار حرارتی اجباری قرار می‌دهد و ارزیابی می‌کند که آیا انتشار آن در مرز طراحی محدود شده است یا خیر. اگر سطح مشخصی عبور کند، آزمایش بیشتری لازم نیست. تست سطح نصب - که بیشترین ارتباط را با طراحی سیستم حفاظت در برابر آتش دارد - اثربخشی چیدمان اطفاء حریق مورد نظر را ارزیابی می‌کند، یا از طریق سیستم‌های آب‌پاش طراحی شده با دبی 0.3 گالن در دقیقه بر فوت مربع (روش 1) یا از طریق یک طرح حفاظت در برابر آتش جایگزین (روش 2). پیمانکاران و طراحانی که در پروژه‌های ESS در هر کجای دنیا مشارکت دارند، باید با نتایج UL 9540A آشنا باشند، زیرا گزارش‌های آزمایش سازنده اغلب معیارهای طراحی اسپرینکلر، محل قرارگیری نازل‌ها و نوع سیستم مورد نیاز برای پیکربندی نصب مشخص را تعیین می‌کنند.
ملاحظات خاص کاربرد
خودروهای برقی و سازه‌های پارکینگ: پذیرش خودروهای برقی در سطح جهانی در حال افزایش است و با این روند، چالش محافظت از سازه‌های پارکینگ که محل قرارگیری خودروهایی با باتری‌های لیتیوم-یونی بزرگ هستند، مطرح می‌شود. داده‌های تحقیقاتی به طور مداوم نشان می‌دهند که سازه‌های پارکینگ محافظت‌شده با آب‌پاش، با موفقیت آتش‌سوزی خودروهای برقی را به منطقه آتش‌سوزی فوری مهار کرده‌اند. در ایالات متحده، NFPA 13 طبقه‌بندی توصیه‌شده برای پارکینگ‌ها را به گروه خطر معمولی 2 ارتقا داده است و NFPA 88A اکنون استفاده از آب‌پاش را در تمام سازه‌های پارکینگ، از جمله گاراژهای باز که قبلاً معاف بودند، الزامی کرده است. ارزیابی‌های مجدد مشابهی از معیارهای حفاظت از سازه پارکینگ در چندین بازار بین‌المللی در حال انجام است.
دستگاه‌های کوچک حمل و نقل: دوچرخه‌های برقی، اسکوترها، هاوربردها و دستگاه‌های مشابه، به سرعت در حال افزایش در معرض خطر قرار گرفتن در مناطق مسکونی در سطح جهان هستند. این دستگاه‌ها اغلب در مسیرهای خروجی و فضاهای زندگی، اغلب با باتری‌های معیوب یا بدون گواهینامه، شارژ می‌شوند. الگوی حوادث منحصر به ایالات متحده نیست؛ خدمات آتش‌نشانی در سراسر اروپا، آسیا و استرالیا روندهای مشابهی را گزارش کرده‌اند، زیرا پذیرش دستگاه‌های کوچک حمل و نقل تسریع شده و توجه نظارتی را در حوزه‌های قضایی متعدد به خود جلب کرده است.
ذخیره‌سازی انبوه باتری: با توجه به اینکه راهنمایی‌های تجویزی عمدتاً در استانداردهای نصب مانند NFPA 13 وجود ندارد، برگه اطلاعات FM 7-112 دقیق‌ترین مرجع موجود است. متخصصانی که در انبار یا مرکز توزیع شامل لوازم الکترونیکی مصرفی، ماژول‌های باتری یا محصولات باتری‌دار نهایی کار می‌کنند، باید برای رعایت الزامات FM یا توسعه یک طراحی مبتنی بر عملکرد با پشتیبانی کامل از آزمایش آماده باشند.
نکته‌ی پایانی برای پزشکان
محافظت از باتری لیتیوم-یون یک تخصص خاص نیست - این تخصص به سرعت در حال تبدیل شدن به یک شایستگی اصلی برای متخصصان حفاظت در برابر آتش در تقریباً هر بخش بازار و هر منطقه از جهان است. کدها و استانداردها به طور فعال در حال تکامل هستند و شکاف بین آنچه فناوری می‌طلبد و آنچه معیارهای تجویزی در حال حاضر ارائه می‌دهند، همچنان قابل توجه است. متخصصان باید با این درک به این پروژه‌ها نزدیک شوند که ممکن است راه‌حل‌های تجویزی برای یک پیکربندی مشخص در دسترس نباشند، اینکه شیمی و SOC ورودی‌های طراحی مواد هستند و داده‌های آزمایش در مقیاس بزرگ - چه از گزارش‌های UL 9540A یا روش‌های معادل - اغلب عامل تعیین‌کننده در ایجاد یک طراحی سیستم قابل قبول خواهند بود. برای متخصصانی که در حوزه‌های قضایی متعدد کار می‌کنند، تسلط بر چارچوب‌های مبدا ایالات متحده و فعالیت استانداردهای نوظهور در بازارهای خود ضروری خواهد بود. IFSA برای ارتباط متخصصان آب‌پاش آتش‌نشانی در سراسر مرزها و پیشبرد علم و عمل حفاظت از آب‌پاش آتش‌نشانی در سطح جهانی وجود دارد. از آنجایی که فناوری باتری لیتیوم-یون همچنان چشم‌انداز ریسک را در هر بازاری که ما به آن خدمت می‌کنیم تغییر می‌دهد، پیشی گرفتن از این طبقه خطر، کاملاً در ماموریت جمعی ما قرار دارد.