När avståndet mellan batterihyllor ökades från 0,8 till 1,5 meter tog det ungefär dubbelt så lång tid innan branden nådde den angränsande hyllan. Men brandspridningen stoppades inte. Det visar en ny simuleringsstudie som också undersökt hur hyllkonstruktion och vattendimma påverkar brandförloppet.
Avståndet mellan lagerhyllor kan ha stor betydelse för hur snabbt en batteribrand sprider sig. Det visar en studie från China Fire and Rescue Institute och Northeastern University, publicerad i den vetenskapliga tidskriften Batteries den 16 oktober. Forskarna har använt simuleringsprogrammet Fire Dynamics Simulator, FDS, för att undersöka hur termisk rusning i litiumjonbatterier påverkar intilliggande batterilådor och lagerhyllor.
Studien utgår från lagerhyllor med batterilådor som vardera innehåller 3 000 cylindriska litiumjonceller av typen 18650 med litium-manganoxidkemi, LMO. Varje låda har en nominell energimängd på 18,87 kilowattimmar och cellerna antogs vara fulladdade. Modellen omfattar hyllor i sex nivåer, med en total höjd på fem meter. Brandförloppet simulerades under 200 sekunder och forskarna jämförde flera olika hyllkonstruktioner och avstånd.
En central del av undersökningen var hur avståndet mellan två angränsande hyllrader påverkade tiden till termisk påverkan på den andra hyllan. Vid 0,8 meters avstånd nådde temperaturen vid den angränsande hyllans översta nivå den förinställda aktiveringstemperaturen 120 grader efter 43 sekunder. När avståndet ökades till 1,2 meter tog det 75 sekunder och vid 1,5 meter dröjde det 87 sekunder. Forskarna prövade också aktiveringstemperaturerna 140 och 160 grader. Vid 1,5 meters avstånd nåddes dessa temperaturer efter 90 respektive 94 sekunder.
Det större avståndet fördröjde alltså brandspridningen betydligt, men förhindrade inte att den angränsande hyllan påverkades. I simuleringen med 1,5 meters avstånd kunde forskarna också observera brand på den andra hyllan efter 90 sekunder. Avstånden är förutsättningar i den numeriska modellen och ska inte betraktas som generella säkerhetsavstånd för batterilager.
Forskarna studerade även hur avståndet mellan batterilådorna inom en och samma hylla påverkade brandutvecklingen. När det horisontella avståndet ökades från 0,4 till 0,8 meter minskade värmestrålningen till intilliggande lådor. Den genomsnittliga ökningen av brandens värmeutveckling under intervallet 100–200 sekunder sjönk från 97 till 26,1 kilowatt per sekund. Resultaten visar att avståndet kan påverka både hur snabbt branden sprids och hur intensivt den utvecklas.
Hyllornas konstruktion hade också betydelse. I öppna hyllor spred sig branden snabbt i sidled mellan batterilådorna och därefter uppåt. Efter 200 sekunder omfattades samtliga modellerade batterilådor av brand. När hyllorna försågs med sidoplåtar begränsades spridningen i sidled, men flammor och heta gaser leddes i större utsträckning uppåt. Avskärmningen förändrade därmed brandens spridningsväg snarare än att helt hindra den.
En tredje hyllkonstruktion, med både sidoplåtar och perforerade hyllplan, gav den minsta omfattningen av termisk rusning under den undersökta tiden. Även där kunde heta gaser spridas uppåt genom öppningarna i hyllplanen. Konstruktionen påverkade således hur värme överfördes mellan olika nivåer och hur många batterilådor som hann omfattas av branden.
Studien omfattade dessutom simuleringar av släckning med vattendimma. Forskarna jämförde droppstorlekar mellan 50 och 200 mikrometer samt flera spridningsvinklar. Under de undersökta förhållandena gav droppar på 50 mikrometer tillsammans med en spridningsvinkel på 75 grader den mest gynnsamma temperaturutvecklingen. Vattendimman minskade värmepåverkan på omgivande batterilådor, men den interna termiska rusningen i en redan aktiverad batterilåda upphörde inte under simuleringen.
Forskarna framhåller flera begränsningar. Modellen har inte verifierats genom motsvarande fullskaliga brandförsök. Brandens värmeutveckling har dessutom beskrivits med förutbestämda kurvor, vilket innebär att vattendimman i modellen inte direkt kan minska värmeutvecklingen från en batterilåda där termisk rusning redan har aktiverats. Resultaten visar därför främst hur olika lösningar påverkar värmeöverföringen och risken för fortsatt spridning under de givna förutsättningarna.
För brandskyddsdimensionering är skillnaden viktig. Att en viss hyllkonstruktion eller ett visst avstånd ger bättre resultat i en simulering innebär inte att samma lösning automatiskt fungerar för andra batterikemier, laddningsnivåer eller lagringskonfigurationer. Forskarna efterlyser därför ytterligare studier med andra batterityper och laddningsnivåer samt experiment som kan verifiera modellresultaten.
