W głośnym wypadku Tesli S w Kalifornii, w którym zginął jej kierowca, prywatnie wielki przyjaciel firmy i entuzjasta emobilności i innowacyjności, uwaga opinii publicznej skupiła się na roli autopilota, który miał spory wpływ na przebieg wypadku. Natomiast pożar, który wybuchł na miejscu zdarzenia nie wywołał większego zainteresowania. A już bardzo niewiele osób zwróciło uwagę, że sześć dni po wypadku, doszło do samoistnego wybuchu kolejnego pożaru odholowanego na parking wraku. Mimo, że od tego wydarzenia minęło już sporo czasu to systemy bateryjne zawierające ogniwa litowo – jonowe ciągle stanowią wyzwanie pod kątem bezpieczeństwa przeciwpożarowego.
Przyjrzyjmy się zatem mechanizmowi pożaru ogniwa litowo – jonowego. Jego przyczyną jest zwiększenie temperatury ogniwa lub drastyczne przeładowanie ogniwa, które prowadzi do dekompozycji jego elementów składowych określanej jako efekt „thermal runaway”. Proces ten jest silnie egzotermiczny i samopodtrzymujący się. Ogniwo ulega rozszczelnieniu i wydobywa się mieszanina palnych gazów, która może ulec zapłonowi. Kiedy może dojść do takiej sytuacji? Niewątpliwie powodem pożaru w przypadku pojazdów elektrycznych może być kolizja lub wypadek, podczas którego dochodzi do mechanicznego uszkodzenia systemu bateryjnego. Ale nie tylko.
W większości przypadków do pożaru i wybuchu dochodzi na skutek zwarcia, co ma miejsce wówczas, gdy anoda z katodą się spotkają. Dużą rolę w przypadkach zapłonu baterii ma także czynnik wysokiej temperatury i przegrzewania się ogniw w wyniku np. pożaru rozlanego paliwa, czy przegrzania z powodu nieprawidłowego ładowania lub przeładowania. Powodem zwarcia między elektrodami mogą być powyższe czynniki, a jego rezultatem jest szybko postępująca, częstokroć wymykająca się spod kontroli reakcja łańcuchowa. Dochodzi do gwałtownego zwiększania się temperatury i stopienia separatora pomiędzy elektrodami, co podsyca dalsze nagrzewanie się baterii. Utratę kontroli nad zwiększaniem się temperatury układu powoduje efekt tzw. niestabilności termicznej (wspomniany już thermal runaway), który stoi za problemem reakcji łańcuchowej, która jest groźna zwłaszcza w bateriach składających się z wielu ogniw, ponieważ inicjuje reakcję w kolejnych, często nie uszkodzonych, ogniwach. Podczas wzrostu temperatury katoda emituje tlen, wchodzący w reakcję z organicznym elektrolitem, co prowadzi w końcu do zapłonu lub wybuchu baterii.
Wśród innych niż mechaniczne przyczyn pożarów baterii Li-ion można wymienić również błędy projektowe baterii. Dotyczy to nie tylko autobusów czy samochodów osobowych. Stały one za problemem, który skutkował wycofaniem z rynku 2,5 miliona urządzeń Galaxy Note 7. Producent baterii nie zapewnił wystarczająco dużo przestrzeni oddzielającej elektrody, dlatego też do wybuchu dochodziło podczas ładowania smartfona, gdy elektrody rozszerzały się nieznacznie, powodując zwarcie. Kolejną przyczyna może być przeładowanie baterii wynikające np. ze złej jakości ładowarki. Jednak większość producentów używa mechanizmów zapobiegających takiemu przypadkowi, więc niska jakość akumulatora i ładowarki może być ryzykowana raczej dla użytkowników smartfonów niż pojazdów. Zagrożeniem może też być zewnętrzne źródło wysokiej temperatury. Przegrzanie baterii może wyzwolić reakcję łańcuchową prowadzącą do zapłonu i wybuchu.
Cały czas problemem dla służb jest gaszenie takich pożarów. Badania przeprowadzone przez Federal Aviation Administration (FAA) w USA pokazały, że najskuteczniejsze okazały się materiały gaśnicze na bazie wody. Skuteczne działania opierały się na kombinacji efektu gaszenia płonącego elektrolitu i jednoczesnego studzenia ogniwa dlatego rola jak największej ilości wody jako czynnika chłodzącego okazała się bardzo istotna. Czy więcej wody, tym lepiej. Czynniki na bazie gazów wykazały dobrą zdolność do gaszenia płonącego elektrolitu ale nie zapewniały odpowiedniej zdolności do studzenia ogniwa. Dlatego właśnie istnieje ryzyko (tak jak w wypadku wspomnianego na początku wypadku Tesli), że może dojść do kolejnego samoistnego pożaru nawet wiele godzin po ugaszeniu pierwszego.
Ryzyko można jednak ograniczyć. Najistotniejsza jest prewencja. Prawidłowa eksploatacja baterii trakcyjnych czyli taka, która nie powoduje ich przeładowania i przegrzania, w zasadzie w 100% eliminuje ryzyko samoistnego pożaru. Odpowiada za to system BMS. Zastosowanie układów first i second protection w BMS automatycznie odcina zasilanie w razie zagrożenia. Ponad to po stronie producenta będzie stosowanie w konstrukcji pakietów materiałów niepalnych oraz zastosowanie właściwej separacji ogniw uniemożliwiających kaskadowe rozprzestrzenienie się ognia. Konstrukcja mechaniczna pakietów powinna również ograniczać rozprzestrzenianie się ciepła jako czynnika ryzyka. Podsumowując, przy prawidłowym użytkowaniu systemów bateryjnych i stosowaniu się do zaleceń producenta, pożary wywołane przez ogniwa li-ion zdarzają się niezwykle rzadko.
Maciej Kwiatkowski