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Thermischer Durchbruchtest für Lithium-Ionen-Batterien - Teil 2

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Thermischer Durchbruchtest für Lithium-Ionen-Batterien - Teil 2

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2 Experiment zu Umweltgefahren in realen Flugzeugen

2.1 Experiment zum Brand einer elektronischen Flugtasche im Cockpit

Bei dem Risikoexperiment zum thermischen Durchgehen von Lithium-Ionen-Batterien im Cockpit wurde eine hohe Luftaustauschrate eingestellt und ein Electronic Flight Bag (EFB) durch eine Heizung aufgeheizt. Die Lithium-Ionen-Batterie des EFB mit einer Speicherkapazität von 7,2Ah (SOC von 100%) aktivierte sofort das Feuerlöschsystem, um das Feuer zu kontrollieren, wenn eine offene Flamme auftrat. Die Ergebnisse zeigen, dass die CO-, CO2- und O2-Werte in der Kabine leicht schwanken, die Höchsttemperatur jedoch 600 ℃ erreichen kann. Die Trübung des Rauches beträgt 10 % und hält 5 Minuten an. Ein enormer Druckimpuls kann die unverschlossene Kabinentür aufdrücken. Selbst bei einer hohen Luftaustauschrate (einmal pro Minute) beeinträchtigt das thermische Durchgehen der Lithium-Ionen-Batterie eines einzelnen EFB-Geräts die Flug- und Fahrsicherheit erheblich und stellt eine potenzielle Katastrophengefahr dar.

2.2 Brandversuch mit E-Tablets in der Kabine

Tablets sind Arbeits- und Unterhaltungsgeräte, die von Besatzungsmitgliedern und Passagieren mitgeführt werden und ein erhebliches Gefahrenpotenzial bergen. Im Jahr 2013 stellte die FAA den Tablet-Computer auf einen Küchenwagen und erhitzte ihn mit einem Heizgerät im Experiment zum Brand der Kabinentafel. In der Anfangsphase schlagen kontinuierlich Flammen aus den Zwischenräumen, brennen dann heftig, erhöhen plötzlich den Druck und reißen die Schiebetür auf. Obwohl die Lüftungsanlage normal in Betrieb ist, ist die Kabine mit dichtem Rauch gefüllt. Wenn das vorgemischte Gas gezündet wird, reichen die freigesetzte Flamme und eine große Menge Rauch aus, um das Belüftungssystem in der Kabine unwirksam zu machen.

In einem weiteren Experiment zum Brand einer Kabinentablette wurde diese in der Küchenbox der 727 platziert. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass ein enormer Druckschock auftrat, bevor der thermische Durchschlag vollständig vollzogen war, und die Höchsttemperatur außerhalb der Box 81 ℃ erreichte. Wenn jedoch mehrere Tabletten Feuer fangen, besteht ein höheres Risiko.

2.3 Großversuch mit Lithiumbatterien im Frachtraum

Kontinuierliche Durchführung und Aktualisierung groß angelegter Lithiumbatterie-Brandversuche in realen Umgebungen, von Außenbereichen bis hin zu Frachtraum der Klassen E und C, zur Untersuchung der Gefahren und der thermischen Durchschlagskraft von groß angelegten Lithiumbatteriebränden. Ein groß angelegter Versuch mit Lithiumbatterien wurde im Frachtraum durchgeführt. 5000 18650-Lithium-Ionen-Batterien und 4800 SF123A-Lithium-Metall-Batterien wurden gruppiert und in der Mitte des Frachtraums der Klasse C eines 737-Frachtflugzeugs platziert. Die Belüftung wurde eingestellt, und nach einer gewissen Zeit wurde das Wasserlöschsystem aktiviert, um das Feuer angemessen zu kontrollieren. Ein Wärmestrommesser ist vor und direkt über der Batterie angeordnet, und ein Thermoelement (mit einer Höhe von 15, 92 bzw. 152 cm) und ein Gasdetektor sind vertikal daneben angebracht, um die Zusammensetzung der Umgebungsgase und die Temperaturänderungen im Frachtraum und im Cockpit aufzuzeichnen.

Bei dem Experiment wurde festgestellt, dass beim thermischen Durchgehen von Lithium-Metall-Batterien metallisches Lithium und Elektrolyt herausgeschleudert werden, was zu einer schweren Verbrennung führt, die die Eisenbodenplatte durchdringen kann. Die Temperatur an der Oberseite der Kabine kann bis zu 1000 ℃ erreichen, was viel gefährlicher ist als bei Lithium-Ionen-Batterien. Wenn nur ein Teil der Batterien an der Reaktion beteiligt ist und das Feuer ordnungsgemäß kontrolliert wird, kann der Sauerstoffvolumenanteil im Laderaum mindestens 3 % betragen, und die Temperatur an der Kabinendecke kann bis zu 927 ℃ erreichen. Gleichzeitig wird Gas freigesetzt und dringt in das Cockpit ein, was zu einem Anstieg des Volumenanteils toxischer Gase und der Temperatur führt, was die normale Fahrt des Piloten beeinträchtigt. Wenn alle Batterien an der Reaktion beteiligt sind, führt dies zu katastrophalen Schäden

Forschung zum thermischen Durchgehen von Lithiumbatterien unter wechselnden Bedingungen

3.1 Experimenteller Inhalt

Die Forschung über das thermische Durchgehen von Lithiumbatterien basiert meist auf statischen Bedingungen am Boden, während die dynamische Umgebung im Flug nicht untersucht wurde. Mit Hilfe einer Forschungsmethode, die Beobachtungsexperimente in kleinem Maßstab, groß angelegte Ähnlichkeitsexperimente, theoretische Analysen und numerische Simulationen kombiniert, untersucht diese Studie die Faktoren, die das Auftreten von Thermal Runaway in Lithiumbatterien unter normalen Transportbedingungen in der Luftfahrt beeinflussen. Sie untersucht auch die Eigenschaften der Ausbreitung des thermischen Durchgehens, des Temperaturfeldes und der Gasfreisetzung in wechselnden Umgebungen sowie die Kontrolle der Gaskonzentration, der Temperatur und der Explosionsunterdrückung des thermischen Durchgehens in Lithiumbatterien.

(1) Simulation.

Führen Sie eine Analyse der Faktoren durch, die die Temperatureigenschaften des thermischen Durchgehens der Lithiumbatterie, die Verpackung der Lithiumbatterie und die Feuerlöschfähigkeit der Feuerlöschsysteme an Bord beeinflussen. Verwenden Sie eine Simulationssoftware, um die dynamischen Veränderungen des Drucks, der Sauerstoffumgebung und des Strömungsfelds während normaler und Notfallflüge zu simulieren, erstellen Sie ein Modell für die Wärmeentwicklung und -ableitung einer einzelnen Lithiumbatterie und analysieren Sie die Temperaturfeldverteilung, die Energiefreisetzung, den Verbrennungs- und Explosionsprozess sowie die erforderliche Feuerlöschfähigkeit, die durch thermisches Durchgehen verursacht wird. Erstellung eines Modells für die Wärmeausbreitung bei einem thermischen Durchgehen mehrerer Lithium-Ionen-Batterien, Analyse der Richtung und des thermischen Widerstands der Wärmeausbreitung zwischen den Batterien

(2) Versuche in kleinem Maßstab.

Unter Verwendung der bereits gebauten Niederdruckkammer und durch Kontrolle des Drucks und der Temperatur innerhalb der Kammer wird eine kleine Menge von Lithiumbatterien in einem bestimmten Frequenzoszillator platziert, um die wechselnden Druck-, Temperatur- und Vibrationsbedingungen eines normalen Flugtransports zu simulieren. Die Faktoren und Schlüsselbedingungen, die das thermische Durchgehen von Lithiumbatterien beeinflussen, sowie das Temperaturfeld und die Gasfreisetzungseigenschaften von Lithiumbatterien werden untersucht.

(3) Groß angelegter Validierungsversuch.

Mit Hilfe von Versuchsausrüstungen werden die Druckänderungen in zivilen Flugzeugen während des Hebe- und Senkvorgangs simuliert, die Umgebung mit niedrigem Druck, niedrigem Sauerstoffgehalt und dynamischem Druck im Frachtraum nachgebildet und Parameter wie Rauchzusammensetzung, Dichte, Temperatur, Wärmestrahlungsfluss und Explosionshöhe während des thermischen Durchschlagsprozesses von Lithiumbatterien gemessen.

4 Zusammenfassung

Mit der Erhöhung des SOC steigen die maximale Temperatur, die maximale Wärmefreisetzungsrate, der Gesamtmassenverlust und die Gesamtfreisetzung von brennbaren Gasen während des thermischen Durchschlagsprozesses von Lithiumbatterien allmählich an; bei einem SOC von etwa 50 % ist es am wahrscheinlichsten, dass es zu einem thermischen Durchschlag zwischen den Batterien kommt, was das größte Risiko darstellt; bei einem SOC von weniger als 30 % besteht keine Möglichkeit mehr für einen thermischen Durchschlagsprozess. Beim Transport von Lithium-Ionen-Batterien wird die Schwere von Bränden verringert, wenn der Batteriestand unter 30 % liegt.

Unabhängig davon, ob Brände von Lithium-Ionen-Batterien im Frachtraum, in der Kabine oder im Cockpit auftreten, können sie schwere oder sogar katastrophale Unfälle verursachen. Daher sollten die Feuerlösch- und Belüftungssysteme von Flugzeugen der Verhütung und Bekämpfung von Bränden durch Lithium-Ionen-Batterien besondere Aufmerksamkeit widmen. Die Forschung zu den Brandeigenschaften von Lithiumbatterien und die Risikoexperimente im Luftverkehr basieren zumeist auf statischen Umgebungsbedingungen am Boden, und es mangelt an einschlägigen experimentellen Untersuchungen zur Simulation von Flugbedingungen. Die normale Flugumgebung eines Flugzeugs unterscheidet sich von den stationären Bedingungen am Boden, und Änderungen bei Druck, Temperatur und Vibrationsfrequenz unter normalen Flugbedingungen haben alle einen erheblichen Einfluss auf Lithiumbatteriebrände. Einschlägige experimentelle Untersuchungen müssen verifiziert und weiter ergänzt werden.