近年来,锂电池的使用越来越普遍,对锂电池运输的需求也越来越大。锂电池的运输安全已成为货运行业,特别是航空货运行业的热点问题。
一、锂电池引发的悲剧——UPS6号班机
2010年9月3日,UPS从迪拜起飞后不久,6号航班因货舱起火而坠毁。经调查发现,货舱内携带的81000块锂电池起火,使飞机难以操作。尽管飞行员及时启动了货舱灭火系统,但火灾丝毫没有减少,导致飞机在迪拜一个军事基地周围坠毁。这为全球航空货运业敲响了警钟,FAA(FederalAviationAdministration,美国联邦航空局)也限制了机上携带的锂电池数量。研究还发现:
“Intheintermediatescaletestsconductedusingsingleboxescontaining100batterieseach,exposedtoa30kWpropaneburner,thebatteriesincreasedthefire’senergyreleaseratebyapproximately90kWatthepeakburningrate.Thisincrease,basedonthedatafromthesmallscaletests,wasequivalenttosevenbatterycellsfailingsimultaneously.
燃烧功率为30KW当100个锂电池被加热和燃烧时,峰值燃烧可以放热90KW。[1]
二、为什么锂电池起火这么难扑灭?
众所周知,任何电池都是原电池,原电池的核心在于自发的氧化还原反应。我们使用最常见和最简单的Cu-Zn原电池为例:
反应为:
其中,负极锌作为氧化剂,发生氧化反应;铜周围溶液中的正极H
作为氧化剂,发生氧化反应。锂电池的内部结构肯定不是那么简单,但其核心仍然是氧化剂和氧化剂。
现在,我们来看看氢气和氧气的燃烧反应:
其中,氢被用作氧化剂,氧被用作氧化剂。由于燃烧也是一种氧化还原反应,锂电池火灾难以扑灭。灭火的重点是隔离可燃物和助燃物(通常是氧气),这就是为什么一张纸可以用水点燃:水带走热量,隔离纸与空气中的氧气接触。
但是锂电池是不同的。氧化剂(通常是助燃物)和氧化剂(通常是可燃物)同时存在于锂电池中,导致普通的氧化剂“阻隔助燃物”这个策略不能使用:它们已经混合在一起了!因此,如果你想扑灭锂电池的火灾,你只能使用大量的水来降低温度,使可燃助燃物不断反应和放热,但不能使温度达到燃烧反应的条件,这使得很难扑灭锂电池的火灾。这次在杭州燃烧TU-204C可以推断,也可能与锂电池有关,具体原因以官方调查报告为准。
三、解决办法?
当然也有一些解决方案,比如阻燃航空集装箱(FRC,FireResistantContainer):
图自赛峰集团官网
援引AirCargoNews和航空集装箱制造商VRR,卡塔尔货运集团卡塔尔货运(QatarAirwaysCargo)将成为第一个用途FRC替代其原来ULD(UnitLoadDevices,航空公司标准化集装设备)。[2]这些FRC黑色有黑色框架和黄色背景F,代表防火(Fire-proof),以应对锂电池运输带来的风险。ISO1981FRC必须能够抵抗6小时的A类火灾(A类火灾:指燃烧后会留下余烬的传统可燃物,如木材和纸张)。[4]据估计,到2022年,70%的卡塔尔货运是传统的ULD将被FRC替代。
同时,赛丰集团开发了卡塔尔货运采购的赛丰集团FRC能抵抗D类火灾(D类火,即可燃金属引起的火灾),可以抵抗6小时的锂火灾,同时与之SEN货舱门(Secure,ErgonomicandNon-Velcro,也就是安全的,符合人体工程学的,没有尼龙扣),这样这种集装箱就可以方便维护和优化运营成本。
四、前景展望-钠离子电池
锂电池替代品的探索从未停止过。钠离子电池就是其中之一。早在2015年,一些科学家就通过脱水高钠离子浓度的铁氰盐制造了一种完全放电的阳极金属钠离子电池,并尝试用现有的锂电池机生产钠离子电池,发现制造成本相对较低是可行的。[6]同时,据《宁德时报》报道,宁德于2021年7月29日发布了第一代钠离子电池,预计2023年将产生一个基本产业链。钠离子电池在安全试验中不易着火和爆炸。与锂电池相比,安全系数大大提高,在高低温环境下容量保持率高,受温度影响小。
参考资料及文献:
[1](FINAL)AIRACCIDENTINVESTIGATIONREPORTUncontainedCargoFireLeadingtoLossofControlInflightandUncontrolledDescentIntoTerrain,GCAA,2010,201,16-18
[2]https://www.aircargonews.net/airlines/qatar-cargo-steps-up-on-fire-safety/
[3]https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:19281:ed-1:v1:en
[4]https://vrr.aero/the-products/fireproof/
[5]https://www.safran-group.com/pressroom/qatar-airways-cargo-replace-entire-unit-load-device-uld-fleet-safrans-fire-resistant-containers-2021-11-02
[6]LongWang,JieSong,RuiminQiao,L.AndrewWray,MuhammedA.Hossain,Yi-DeChuang,WanliYang,YuhaoLu,DavidEvans,Jong-JanLee,SeanVail,XinZhao,MoyoakiNishijima,SeizohKakimotoandJohnB.Goodenough,RhombohedralPrussianWhiteasCathodeforRechargeableSodium-IonBatteries,JACS,2015.