CN109925645A - 一种基于多孔二氧化硅、氧化铝与铝粉混合物的锂电池灭火材料及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于多孔二氧化硅、氧化铝与铝粉混合物的锂电池灭火材料，以多孔二氧化硅、氧化铝和铝粉混合物为主要灭火成分，配比辅以轻质碳酸钙和驱动气体氩气，多孔二氧化硅、氧化铝、铝粉和轻质碳酸钙的体积比为2：（0.9‑1.1）：（0.8‑1.0）：（1.8‑2.0）。应用该材料装填的灭火器可以大幅提高对锂电池的灭火效率，针对性强，克服了现有普通灭火器对锂电池灭火效率低甚至无法完全灭火的缺点，有望为新能源汽车的发展保驾护航，提供强劲动力；且相比于其他的电池灭火材料，有利于进一步降低制备成本。
Description
技术领域
本发明属于灭火剂材料技术领域，尤其涉及一种以多孔二氧化硅、氧化铝与铝粉混合物为主要灭火成分的锂电池灭火材料及其在灭火装置中的应用。
背景技术
近年来，在国家大力发展绿色能源与新能源汽车的战略指引下，以锂电池为代表的新能源蓬勃发展，借此时机，电动汽车产业的崛起尤为迅速。电动汽车因其能源效率高、多样化、结构简单、维修方便和无污染、噪声低的优点而被看好，但是，近年来，由电动汽车动力电源引发的安全事故引起了人们对电动汽车安全性的考量，电动汽车的安全性问题越来越受到重视，尽管多种电池内部管理技术在发展中愈发成熟，但影响电池安全的因素仍然很难得到精确控制，爆炸事故的潜在危险目前仍无法完全排除。
灭火器作为“第一消防员”，通常在事故初期的处理中发挥着不可替代的重要作用。影响灭火器灭火性能的主要因素是灭火材料的选择，但现有技术中我们所熟知的灭火材料难以满足对燃烧锂电池进行高效灭火的需求：如传统干粉灭火器，仅仅依靠隔绝氧气以阻绝燃烧，在锂电池灭火处理上仍存在效率低、针对性差的缺点；再例如，水基灭火器，以常见的清水为灭火物质，虽然降温性能较好，但对于某些内部结构与物质尚不明晰的锂电池而言，水可能会与其内部物质发生化学反应以加剧燃烧，使得灭火的可控性降低，增加了灭火的不稳定性。
因此，有必要设计出一种高效率的锂电池灭火材料，将其应用于灭火装置中，能够第一时间保障人们的财产安全以降低锂电池燃烧事故所带来的损失。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于多孔二氧化硅、氧化铝与铝粉混合物的灭火材料，采用该灭火材料的灭火器，对于着火锂电池的灭火效率高、针对性强，效果优于市面上的通用灭火器，有望为新能源汽车的发展保驾护航。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于多孔二氧化硅、氧化铝与铝粉混合物的锂电池灭火材料，以多孔二氧化硅、氧化铝和铝粉混合物为主要灭火成分，配比辅以轻质碳酸钙和驱动气体氩气，多孔二氧化硅、氧化铝、铝粉和轻质碳酸钙的体积比为2：（0.9-1.1）：（0.8-1.0）：（1.8-2.0）。
进一步地，多孔二氧化硅的比表面积范围为180-250 m2/g，孔径大小为10-12 nm，D50≤6.0 μm。微米级别多孔道结构的二氧化硅，具有结构空旷、比表面积大，不溶于水、耐高温、分散性能高、稳定性高和阻燃性能优良的特性，其卓越的吸附和隔绝覆盖能力，可以大幅提高对锂电池的灭火效率，以克服现有的普通灭火器对锂电池灭火效率低的不足。
进一步地，氧化铝比表面积为10 m2/g，粒度为40 nm，α相，纯度99.9%。纳米级别的氧化铝，物理化学性质稳定，粒径分布集中，具有耐磨、硬度高和优异的导热性能，可部分导出锂电池外部的热量。
进一步地，铝粉粒度为3-5 μm，纯度99.85%。微米级别的铝粉在表面包裹氧化铝薄层，导热性能好，在覆盖材料后能迅速起到散热效果，同时在表面氧化铝薄层包裹下性质稳定。
进一步地，轻质碳酸钙为细颗粒白色粉末，粒度为15 μm，比重2.7-2.9，比表面积5m2/g。轻质碳酸钙可以增量提高灭火材料比重，提高多孔二氧化硅和氧化铝的表面附着率。
进一步地，所述氩气为高纯实验室气体，纯度99.999%。氩气作为驱动气体和辅助灭火成分，有利于物理降温和隔绝氧气，从而进一步提高灭火效率。
所述锂电池灭火材料可运用在灭火装置中用于燃烧中锂电池的灭火，装填时首先控制氧气通入量；通过轻微加热预处理铝粉，使微米级铝粉表面包裹一层氧化铝薄层，然后对预混合后的多孔二氧化硅、氧化铝、预处理过的铝粉与轻质碳酸钙粉末进行均匀搅拌处理30 min，表面球磨30 min，进一步细化粉粒；将细化后的粉粒装填至通用手提式灭火器钢瓶中，充填1.2 Mpa的氩气气体，装填后密封钢瓶。
本发明的有益效果是：
1. 本发明公开的锂电池灭火原料区别于传统灭火材料的灭火原理，主要依靠多孔二氧化硅的表面吸附特性对锂电池进行灭火，针对性强，灭火效率高；
2. 本发明公开的混合物灭火粉材的材料来源广泛，成本低廉；
3. 与已有的灭火设备兼容性高，可使用传统灭火器设备进行装填。
附图说明
图1为不同SiO2/CaCO3体积比下的喷射时间；
图2为不同SiO2/Al2O3体积比下的喷射时间；
图3为不同SiO2/Al体积比下的喷射时间；
图4为不同SiO2/Al2O3/Al/CaCO3体积比下的喷射时间；
图5为实施例5与对比例的灭火性能测试数据统计表。
具体实施方式
下面结合附图1-5对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
为了确定灭火材料中各组分的比例，在此之前进行了实际的锂电池灭火测试，即以1 kg手持压把式灭火器为容器，使用不同体积配比的材料分别对锂电池进行灭火测试。
实施例1：采用VSiO2/VCaCO3（体积比）为0.7-1.7的混合粉末，分别在1.0 dm3和1.1dm3的装填量下，以1.2 MPa氩气为驱动气体，测量喷射时间。将数据绘成直角坐标函数图，详见于附图1。其中喷射时间为将瓶体中的粉末完全喷出所消耗的时长。
从附图1中可以看出，在不同的装填量下，0.8-1.0体积配比的喷射时间最长，故可认为在装填量为1.0 dm3、VSiO2/VCaCO3在1.0附近时喷射效果最好，这点从纵坐标的最大值可以看出。
实施例2：与实施例1类似，采用VSiO2/VAl2O3（体积比）为0.8-2.4的混合粉末，分别在1.0 dm3和1.1 dm3的装填量下，以1.2 MPa氩气为驱动气体，测量喷射时间。将数据绘成直角坐标函数图，详见于附图2。
从附图2中可以看出，在不同的装填量下，体积比在1.8-2.0区间内时，喷射时间最长。故可认为在装填量为1.0 dm3、VSiO2/VAl2O3在2.0附近时喷射效果最好。
实施例3：与实施例1类似，采用VSiO2/VAl （体积比）为0.8-2.4的混合粉末，分别在1.0 dm3和1.1 dm3的装填量下，以1.2 MPa氩气为驱动气体，测量喷射时间。将数据绘成直角坐标函数图，详见于附图3。
从附图3中可以看出，在不同的装填量下，体积比在1.8-2.0区间内时喷射时间最长。故可认为在装填量为1.0 dm3、VSiO2/VAl在2.0附近时喷射效果最好。
实施例4：与实施例1、2、3类似，采用不同VSiO2/ VCaCO3/ VAl2O3/VAl （体积比）的混合粉末，分别在1.0 dm3和1.1 dm3的装填量下，以1.2 MPa氩气为驱动气体，测量喷射时间。将数据绘成直角坐标函数图，详见于附图4。
从附图4中可以看出，在不同的装填量下，四种材料的体积比为2:1:1:2处的混合粉材的喷射时间最长。故可认为在装填量为1.0 dm3、VSiO2/ VCaCO3/ VAl2O3/VAl为2:1:1:2时喷射效果最好。故本发明采用VSiO2/ VCaCO3/ VAl2O3/VAl =2:1:1:2的粉末配比填充。
具体填充步骤为：
步骤1：首先控制氧气通入量，通过轻微加热预处理铝粉，使微米级铝粉表面包裹一层氧化铝薄层。然后将多孔二氧化硅、氧化铝、预处理过的铝粉与轻质碳酸钙粉末进行混合处理，四者体积混合比例为2:1:1:2。相关粉体物性参数为：多孔二氧化硅比表面积180-250m2/g，孔径10-12 nm；氧化铝比表面积为10 m2/g，粒度为40 nm，α相，纯度99.9%；铝粉粒度为3-5 μm，纯度99.85%；细颗粒白色轻质碳酸钙粉末粒度为15 μm，比重2.7-2.9，比表面积5m2/g；
步骤2：将预混合后的粉末混合体进行均匀搅拌处理30 min，表面球磨30 min，进一步细化粉粒。
步骤3：将细化后的粉粒装填至通用手提式灭火器钢瓶中，充填1.2 Mpa的氩气气体，其物性参数为：高纯实验室气体，纯度99.999%，ALPHAGAZ 40L等级。以氩气为驱动气体，装填后密封钢瓶。
实施例5：采用实施例4中确定的最佳配比（2:1:1:2）和装填量（1.0 dm3），其他试验条件不变，对锂电池进行灭火试验。实验采用3节18650锂电池串联置于99%浓度的医用酒精中燃烧10 min作为试验条件，以确认锂电池发生充分燃烧。将本发明实施例四配制的灭火材料装填至1 kg灭火器钢瓶容器中进行灭火试验，分别测量灭火时间与喷射时间，将数据汇总于附图5中。其中灭火时间为将锂电池明火完全扑灭且不再出现复燃所消耗的时长。
对比例：采用市场普遍流通的传统干粉灭火器（50%磷酸二氢铵、25%硫酸铵、1.2MPa氮气驱动）对同一型号的18650锂电池进行灭火测试，除灭火材料不同外其他测试条件均与实施例5相同。将实验测试数据与实施例5中获得的数据一同汇总于附图5中。
从附图5汇总的灭火时间与喷射时间数据可以看出，利用本发明公开的混合物灭火粉末配制的灭火器与传统干粉灭火器相比，喷射时间虽略低于传统灭火器，但灭火时间更短、灭火效率更高。在锂电池灭火上效果更加突出。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于多孔二氧化硅、氧化铝与铝粉混合物的锂电池灭火材料，其特征在于，以多孔二氧化硅、氧化铝和铝粉混合物为主要灭火成分，配比辅以轻质碳酸钙和驱动气体氩气，多孔二氧化硅、氧化铝、铝粉和轻质碳酸钙的体积比为2：（0.9-1.1）：（0.8-1.0）：（1.8-2.0）。
2. 如权利要求1所述的一种基于多孔二氧化硅、氧化铝与铝粉混合物的锂电池灭火材料，其特征在于，多孔二氧化硅的比表面积范围为180-250 m2/g，孔径大小为10-12 nm，D50≤6.0 μm。
3. 如权利要求1所述的一种基于多孔二氧化硅、氧化铝与铝粉混合物的锂电池灭火材料，其特征在于，氧化铝比表面积为10 m2/g，粒度为40 nm，α相，纯度99.9%。
4. 如权利要求1所述的一种基于多孔二氧化硅、氧化铝与铝粉混合物的锂电池灭火材料，其特征在于，铝粉粒度为3-5 μm，纯度99.85%，表面包裹氧化铝薄膜。
5. 如权利要求1所述的一种基于多孔二氧化硅、氧化铝与铝粉混合物的锂电池灭火材料，其特征在于，轻质碳酸钙为细颗粒白色粉末，粒度为15 μm，比重2.7-2.9，比表面积5m2/g。
6.如权利要求1所述的一种基于多孔二氧化硅、氧化铝与铝粉混合物的锂电池灭火材料，其特征在于，所述氩气为高纯实验室气体，纯度99.999%。
7. 如权利要求1-6中任一项所述的一种基于多孔二氧化硅、氧化铝与铝粉混合物的锂电池灭火材料可应用在灭火装置中用于燃烧中锂电池的灭火，其特征在于，装填时首先控制氧气通入量；通过轻微加热预处理铝粉，使微米级铝粉表面包裹一层氧化铝薄层，然后对预混合后的多孔二氧化硅、氧化铝、预处理过的铝粉与轻质碳酸钙粉末进行均匀搅拌处理30 min，表面球磨30 min，进一步细化粉粒；将细化后的粉粒装填至通用手提式灭火器钢瓶中，充填1.2 Mpa的氩气气体，装填后密封钢瓶。
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