Marknaden för litiumjonbatterier (Li-jon) expanderar i en takt som fortsätter att överträffa utvecklingen av de koder och standarder som är utformade för att styra den. Från elcyklar för bostäder till batterilagringssystem (BESS) i stor skala är litiumjonteknik nu inbäddad i praktiskt taget alla sektorer av den byggda miljön – över alla kontinenter och jurisdiktioner. För brandskyddspersonal och entreprenörer över hela världen har denna spridning skapat en snabb och tekniskt krävande uppsättning designutmaningar, en som kräver en gedigen förståelse för både den underliggande riskvetenskapen och det nuvarande läget för föreskrivande och prestandabaserade krav. Medan de refererade koderna och standarderna återspeglar den amerikanska regelmiljön, är den underliggande riskvetenskapen, designprinciperna och testprotokollen globalt tillämpliga och refereras i allt högre grad till av myndigheter med jurisdiktion över hela världen.

Kärnrisken: Termisk rusning

Innan man tar itu med designkriterierna är det viktigt att förstå vad som i grunden skiljer litiumjonbatterier från konventionella brandrisker. Den primära risken är termisk rusning – definierad av NFPA 855 som det tillstånd där en elektrokemisk cell ökar sin temperatur genom självuppvärmning på ett okontrollerbart sätt, vilket potentiellt kan leda till avgasning, brand eller explosion.

Till skillnad från en traditionell klass B- eller klass C-brand är termisk rusning en intern elektrokemisk händelse. När den väl har initierats kan den inte stoppas av ett brandsläckningssystem. Brandtetraedern påverkar inte direkt; att avlägsna syre från atmosfären stoppar inte termisk rusning – den förhindrar bara antändning av de brännbara gaser som frigörs, vilka sedan kan ackumuleras till deflagrerande koncentrationer. Detta är en kritisk designaspekt som omedelbart diskvalificerar vissa brandsläckningstekniker, särskilt de som berövar ett utrymme syre.

Termisk rusning kan utlösas av termisk missbruk (överhettning eller kylförlust), elektrisk missbruk (överladdning eller överurladdning) eller fysisk skada på cellen. När en enskild cell går in i termisk rusning är spridning till intilliggande celler mycket sannolik om inte tillräcklig separation eller aktiv kylning är på plats.

Den praktiska implikationen för sprinklerdesign: målet med ett sprinklersystem som skyddar litiumjonbatterier är inte att släcka själva den termiska rusningshändelsen – det är inneslutning. Systemet måste kyla intilliggande celler tillräckligt för att begränsa spridning till ställ, hyllor eller fordon där händelsen uppstod. Denna princip gäller oavsett vilket nationellt eller regionalt regelverk som styr ett givet projekt.

Batterikemi och laddningstillstånd

Alla litiumjonbatterier uppvisar inte samma riskprofil. Katodmaterialets kemiska sammansättning påverkar avsevärt både energitätheten och hur allvarlig termisk rusning är. Vanliga kemiska sammansättningar inkluderar bland annat litiumnickel-mangan-koboltoxid (NMC), litiumjärnfosfat (LFP), litiumnickel-kobolt-aluminiumoxid (NCA) och litiumkoboltoxid (LCO).

Forskning från Sandia National Laboratories visar att medan större lagrad energi korrelerar med större total termisk rusningsentalpi, så frigör batterier med högre specifik energi den energin snabbare och med högre toppvärmeavgivningshastigheter. NMC- och NCA-kemi har en högre energitäthet än LFP men producerar allvarligare termiska rusningshändelser. Batterikemin som finns i en given installation påverkar direkt lämpliga skyddskriterier – yrkesverksamma bör inte anta en universallösning, oavsett jurisdiktion. Laddningstillstånd (SOC) är lika relevant. En cell vid 100 % SOC kommer att genomgå en betydligt våldsammare termisk rusning än en identisk cell vid 30 % SOC, med mätbart högre topptemperaturer, toppuppvärmningshastigheter och rusningens entalpi. SOC-trösklar – vanligtvis 60 % – används i flera ramverk, inklusive FM Globals datablad, för att definiera klassificeringar av lagringsprodukter och bestämma tillämpliga designkriterier. Att förstå den operativa SOC:n för en given installation är därför en indata för materialdesignen, inte en sekundär faktor.

Regelverkslandskapet: Varifrån kommer kraven?

Till skillnad från de flesta råvarurelaterade risker finns det inget enda globalt föreskrivande dokument som täcker litiumjonbatterier för alla tillämpningar. Även inom USA:s ramverk måste designkriterier hämtas från flera överlappande källor beroende på det specifika användningsfallet. Internationellt är bilden ännu mer varierad, även om de underliggande testprotokollen – särskilt UL 9540A – i allt högre grad hänvisas till av tillsynsmyndigheter och myndigheter med jurisdiktion utanför Nordamerika. NFPA 13 utesluter uttryckligen litiumjonbatterier från sitt tillämpningsområde för sprinklerdesignändamål. Installationskraven gäller fortfarande, men designdensiteterna och areorna måste hämtas från annan plats. NFPA 855 är den primära amerikanska standarden för stationära energilagringssystem. För kompatibla kommersiella inomhusinstallationer – där ESS-grupper inte överstiger 50 kWh vardera, med minst 90 cm mellanrum – är den föreskrivna sprinklerdensiteten 0,3 gpm/kvadratfot över 2 240 kvadratmeter. Byggnader som inte är avsedda att användas har en gräns på 600 kWh per brandområde; byggnader avsedda att användas har ingen sådan energigräns, förutsatt att lämpliga brandklassade separationer och användningsrestriktioner upprätthålls. Om ett arrangemang inte uppfyller NFPA 855:s föreskrivande tröskelvärden krävs storskalig testning enligt UL 9540A.

FM Global Data Sheet 5-33 reglerar litiumjon-BESS-installationer större än 20 kWh och specificerar platsbaserade kriterier som varierar beroende på närhet till exponeringar, antal tillgängliga ytterväggar och batterikemi. NMC-installationer kräver större gångseparationer än LFP-installationer. När platskraven är uppfyllda är sprinklerdensiteten också 0,3 gpm/ft² över hela brandområdet, med en vattenförsörjningstid på 45 minuter för varje intilliggande, icke-separerad batterilåda.

FM Global Data Sheet 7-112 är den primära referensen för lagring av batterier i bulk och tillhandahåller varuklassificeringar baserade på SOC, takhöjd, lagringshöjd och förpackning, vilka matas in i FM Data Sheet 8-9 för tillämpliga sprinklerdesignkriterier.

Dessa dokument med amerikanskt ursprung konsulteras i stor utsträckning på globala marknader – särskilt för multinationella tillverknings-, logistik- och energilagringsprojekt – vilket gör att kännedom om dem är professionellt relevant långt utanför Nordamerika.

UL 9540A: Den prestationsbaserade vägen

För de flesta storskaliga ESS-installationer är den föreskrivande vägen inte ekonomiskt hållbar – energitäthetsbegränsningarna gör kostnaden per kvadratfot oöverkomlig. Som ett resultat involverar majoriteten av kommersiella projekt en prestandabaserad design som validerats genom UL 9540A-testning, ett protokoll som har fått betydande internationellt genomslag som riktmärkesmetodik för att utvärdera termisk rusningsbrandspridning i batterienergilagringssystem.

UL 9540A är ett nivåindelat testprotokoll med fyra nivåer: Cell, Modul, Enhet och Installation. Varje nivå utsätter batterisystemet för en påtvingad termisk rusningshändelse och utvärderar om spridningen finns inom konstruktionsgränsen. Om en given nivå godkänns krävs ingen ytterligare testning. Installationsnivåtestet – det mest relevanta för design av brandskyddssystem – utvärderar effektiviteten hos den avsedda brandsläckningsanordningen, antingen genom sprinklersystem konstruerade för 0,3 gpm/kvadratfot (Metod 1) eller genom en alternativ brandskyddsplan (Metod 2). Entreprenörer och konstruktörer som är involverade i ESS-projekt var som helst i världen bör vara bekanta med UL 9540A-resultaten, eftersom tillverkarnas testrapporter ofta dikterar de tillämpliga sprinklerdesignkriterierna, munstyckens placering och systemtyp som krävs för en given installationskonfiguration.

Applikationsspecifika överväganden

Elfordon och parkeringsstrukturer: Implementeringen av elbilar accelererar globalt, och med det följer utmaningen att skydda parkeringsstrukturer som inhyser fordon med stora litiumjonbatteripaket. Forskningsdata visar konsekvent att sprinklerskyddade parkeringsstrukturer framgångsrikt har begränsat elbilsbränder till det omedelbara brandområdet. I USA har NFPA 13 höjt den rekommenderade användningsklassificeringen för parkeringsgarage till Ordinary Hazard Group 2, och NFPA 88A kräver nu sprinkler i alla parkeringsstrukturer, inklusive tidigare undantagna öppna garage. Liknande omvärderingar av skyddskriterierna för parkeringsstrukturer pågår på flera internationella marknader.

Mikromobilitetshjälpmedel: Elcyklar, skotrar, hoverboards och liknande enheter representerar en snabbt växande exponering i bostäder globalt. Dessa enheter laddas ofta i utgångar och bostadsutrymmen, ofta med komprometterade eller ocertifierade batteripaket. Mönstret av incidenter är inte unikt för USA; brandkårer i Europa, Asien och Australasien har rapporterat liknande trender i takt med att införandet av mikromobilitet har accelererat, vilket har lett till ökad uppmärksamhet från myndigheter i flera jurisdiktioner.

Lagring av batterier i bulk: Eftersom föreskrivande riktlinjer till stor del saknas i installationsstandarder som NFPA 13 är FM-datablad 7-112 den mest detaljerade tillgängliga referensen. Yrkesverksamma inom lager- eller distributionscentralsarbete som involverar konsumentelektronik, batterimoduler eller färdiga batteridrivna produkter måste vara beredda att hantera FM-krav eller utveckla en prestandabaserad design med fullskaligt teststöd.

Slutsatsen för utövare

Skydd av litiumjonbatterier är inte en nischspecialitet – det håller snabbt på att bli en kärnkompetens för brandskyddsproffs inom praktiskt taget alla marknadssegment och alla regioner i världen. Koder och standarder utvecklas aktivt, och gapet mellan vad tekniken kräver och vad de föreskrivande kriterierna för närvarande tillhandahåller är fortfarande betydande. Utövare bör närma sig dessa projekt med förståelsen för att föreskrivande lösningar kanske inte är tillgängliga för en given konfiguration, att kemi och SOC är indata för materialdesign, och att storskaliga testdata – oavsett om det kommer från UL 9540A-rapporter eller motsvarande metoder – ofta är den avgörande faktorn för att etablera en acceptabel systemdesign. För yrkesverksamma som arbetar i flera jurisdiktioner är det avgörande att bygga upp goda kunskaper i både amerikanska ramverk och den framväxande standardiseringsaktiviteten på sina egna marknader. IFSA finns för att sammankoppla sprinklertekniker över gränserna och främja vetenskapen och praktiken inom sprinklerskydd globalt. I takt med att litiumjonbatteritekniken fortsätter att omforma risklandskapet på varje marknad vi betjänar, är det en självklar del av vårt gemensamma uppdrag att ligga steget före denna riskklass.