Akkukennojen ja akkujen palotutkimus - kooste akkujen palokokeista Kuopion Pelastusopiston harjoitusalueella

Transkriptio

1 Akkukenno- ja akkupalotutkimus 1(8) Kooste akkujen palokokeista Akkukennojen ja akkujen palotutkimus - kooste akkujen palokokeista Kuopion Pelastusopiston harjoitusalueella Tutkimushankkeessa on tutkittu tähän mennessä akkukennojen palamista, palossa ja sammuttamisessa syntyviä palokaasuja sekä akkujen palotapahtumia. Tutkimus on saanut Palosuojelurahastolta rahoitusta 50 % hankkeen budjetista. Tutkimuksen vastuullinen toteuttaja on Metropolia Ammattikorkeakoulu ja sitä on tehty yhteistyössä Pelastusopiston, Suomen Palopäällystöliitto ry:n ja Työterveyslaitoksen Kuopion toimipisteen kanssa. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa tehtiin akkukennojen palokokeita kolmena eri kertana talvella/keväällä Tutkimusraporttia tuloksista ei ole vielä julkaistu. Tutkimuksen kakkosvaiheessa teimme akkujen palokokeita Poltettavana oli litium ioni akkuja ja sähköauton akkumoduuli (yksi osa akkupaketista). Akuissa oli käytetty kolmea eri akkukemiaa. Akkukemiat on numeroitu alla olevaan taulukkoon. 3, 2, 1, Taulukko 1. Taulukossa on esitetty litium ioni akkujen yleiset akkukemiat. Lähde: Akkujen akkukemialla ja kennotyypillä on vaikutusta akkupalon syttymiseen ulkopuolisesta lämmönlähteestä. Tämä havaittiin selvästi tehdyissä kolmen eri akkukemian akkujen polttokokeissa. Akkujen varausasteella on myös vaikutus palotapahtumaan. Mutta tässä tutkimuksessa emme voineet sitä tutkia, koska poltetut akut olivat kaikki erilaisia ja akkuja oli käytössä vain yksittäiskappaleet. Metropolia PL 4000 Bulevardi 31 Ammattikorkeakoulu Metropolia Helsinki Puhelin Y-tunnus:

2 2(8) Kooste palotesteistä Testiasetelma Akkujen palokokeet - akku sijoitetaan teräsverkkopöydälle asetettujen lattarautojen päälle - akkua lämmitetään alapuolisella säädettävällä lämmönlähteellä, kerosiini polttoaineena - akkua kuvataan videolla ja lämpökameralla - loppusammutus vedellä - palotulosta arvioidaan silmämääräisesti - 1, LFP -akkukemian (litium rauta fosfaatti) 12 V akku, käytetään esim. moottoripyörissä o ei saada palamaan o kemiallinen reaktio pakka kovettuu, ruostuu o akun muovikuori sisältää palonestomateriaalia o osa kennoista polton jälkeen ehjän näköisiä o elektrolyytti palaa pois o akku palaa kynttilänä o sammutettiin lopuksi vedellä Kuva 1. Alkuasetelma, 12 V litium ioni käynnistysakku, kuva Markku Haikonen

3 3(8) Kuva 2. LFB akku palaa kynttilänä, kuva Markku Haikonen Kuva 3. LFP akku palon jälkeen, kuva Markku Haikonen

4 4(8) - 2, NMC -akkukemian (nikkeli mangaani koboltti) akkumoduuli, on ollut käytössä sähköauton akkupaketin, 400 V, osana (1/8 osa) o peltikehikko, muovikansi o ei muodonmuutoksia o kennot tiiviissä nipussa, yhteensä 2 *24 pussikennoa o kennoissa kaasuuntuva elektrolyytti purkautui ulos kennon saumoista eikä aiheuttanut akkumoduulissa muodonmuutosta o palavat elektrolyyttisuihkut sulattivat reikiä peltikuoreen o akkumoduuli oli osin "hengittävä" eli kaasut pääsivät vapaasti purkautumaan kannen isoista rei'istä. o kesti kauan ennen kuin varsinainen paloprosessi käynnistyi voimakkaana jatkuen pitkään o loppusammutus vedellä Kuva 4. Sähköauton akkumoduulin alkuasetelma, kuva Markku Haikonen

5 5(8) Kuva 5. Sähköauton akkumoduulin palovaihe, kuva Markku Haikonen Kuva 6. Sähköauton akkumoduuli sammutuksen jälkeen, kuva Markku Haikonen

6 6(8) - 3, NCA akkukemian (litium nikkeli koboltti alumiini oksidi) akku, on ollut käytössä hybridiauton akkuna (ei ladattava akku), 126 V (high voltage battery > 60 V) o tehty 35 sylinterikennosta (teräslieriöitä) o teräs/peltikuori umpinaisena akun päällä + läpiviennit ja huohotusputki o akussa ulkoinen vesilämmityskierto o noin 40 minuutin poltto o voimakas ulkoinen kuumennus (kerosiini) o 20 minuutin jälkeen oli havaittavissa yksittäisten kennojen avautumisia, jolloin sylinterikennon päät aukesivat ja kaasu purkautui ulos ja edelleen huohotinputkesta ulos syttyen samalla palamaan noin reilun puolen metrin korkuisena liekkinä o akun peltikuori kesti eikä kennojen kannet tulleet akun peltikuoren läpi, o akkupalo kesti yli 40 minuuttia, ja vasta viimeisin 20 minuutin aikana kennot paloivat, o akkukuoressa ei palon jälkeen havaittu muodonmuutoksia o liittimien ja huohotinputken kautta tuli liekkejä o loppusammutus vedellä Kuva 7. Alkuasetelma, hybridiauton akku, kuva Markku Haikonen

7 7(8) Kuva 8. Hybridiauton akun palovaiheessa, sylinterikennojen elektrolyytti kaasuuntui kuumetessaan ja syttyi purkautuessaan palamaan, kuva Markku Haikonen Kuva 9. Hybridiauton akku sammutuksen jälkeen, kuva Markku Haikonen

8 8(8) Toteamuksia - akkuja poltettiin kohdennetulla liekillä akkukemiasta riippuen minuuttia - akut eivät palaneet, syttyneet ajassa, jonka tavanomainen autopalo kestää - koepolton palokuorma oli suurempi kuin on normaalissa autopalossa - akkupakettien palosuojatusta materiaalista tehdyt muovikuoret kestivät hyvin palokuormaa, - peltikuoret pitivät myös akut muodossaan - LFP eli litium rauta fosfaatti akkukemian akku saatiin palamaan vain kynttilänä, sama havaittiin myös vastaavan kemian yksittäisten akkukennojen polttokokeissa - NMC eli litium nikkeli mangaani koboltti akkukemian akkukennot paloivat pitkäaikaisen palokuorman jälkeen voimakkaasti ja pitkään, myös vastaavan kemian kennot paloivat voimakkaasti yksittäisen akkukennojen polttokokeissa - NCA eli litium nikkeli koboltti alumiini oksidin akkukemian akun peltikuori piti akun muodossaan, akun sylinterikennojen elektrolyytti purkautui kaasuna akun huohotinputken, liittimien tai myöhemmin peltikuoreen tulleiden reikien kautta ulos ja syttyi palamaan, mitään voimakasta sylinterikennon pään avautumista ei havaittu tai ei ainakaan sellaisena että se olisi rikkonut akkupaketin peltikuorta - vaikka yksittäiset kennot saattoivat palaa rajustikin talven palokokeissa, ei peltikuoreen tai palosuojaominaisuuksia sisältäneeseen muoviin pakattuja pussi- tai sylinterikennoja saatu helposti palamaan, - jos akkukemiasta esim. litium rauta fosfaatti johtuen yksittäistä kennoa oli vaikea saada palamaan, oli vastaavan akkukemian akkupakettia vielä vaikeampi saada syttymään ulkopuolisella lämmön lähteellä Riski akkupalon syttymiseen ulkopuolista lämmönlähteestä vaikuttaa olevan vähäinen. Akkukennojen vikaantumisen, sisäisen oikosulun tai ylilatauksen aiheuttaman korkean lämmönnousun aiheuttama paloriski on olemassa todennäköisesti ulkoisen lämmönlähteen aiheuttamaa riskiä suurempana. Tätä riskiä pienentää kuitenkin akun valvontajärjestelmä (BMS, Battery Management System). Helsingissä Markku Haikonen Akkukennojen ja akkujen palotutkimus Projektipäällikkö Metropolia Ammattikorkeakoulu Ajoneuvo- ja konetekniikka