Pożary Akumulatorów i Baterii Litowo-Jonowych: Zagrożenia, Przyczyny i Zapobieganie

Pożary akumulatorów stanowią poważne zagrożenie dla środowiska i najbliższego otoczenia. Wraz z rosnącą popularnością urządzeń zasilanych bateriami, takimi jak smartfony, laptopy, hulajnogi elektryczne czy samochody elektryczne, problem ten staje się coraz bardziej palący. Niestety, coraz częściej producenci sprzętu elektronicznego przeznaczonego na rynek konsumencki aplikują do niego akumulatorki słabej jakości - tanie i podatne na awarie. Zużyte ogniwa mogą stanowić zagrożenie w procesie utylizacji i recyklingu, dopóki nie zostaną unieszkodliwione.

Pożar akumulatora niesie za sobą katastrofalne skutki, zarówno na etapie eksploatacji, jak i w procesie utylizacji oraz recyklingu ogniw. Podkreślmy, że zapłon ogniw w zużytym sprzęcie elektronicznym może mieć miejsce nie tylko w domu czy biurze, lecz również podczas transportu oraz w samym zakładzie recyklingu.

Dlaczego Akumulatory Litowo-Jonowe? Charakterystyka i Potencjalne Zagrożenia

Akumulatory litowo-jonowe zyskały ogromną popularność dzięki zdolności do efektywnego magazynowania energii, dużej gęstości mocy oraz relatywnie niskiej wadze. Są one stosowane nie tylko w produkcji samochodów elektrycznych, ale stanowią także podstawę przydomowych magazynów energii, a także zasilają praktycznie 100% samochodów elektrycznych, smartwatchy, szczoteczek elektrycznych, golarek oraz hulajnóg na prąd. Coraz częściej niewymienne ogniwa akumulatorowe znajdziesz także w laptopach, tabletach i smartfonach.

Ich proces konstrukcyjny i produkcyjny wymaga jednak ogromnej precyzji. Ogniwa projektuje się, wykorzystując bardzo cienką powłokę zewnętrzną oraz przegrody pomiędzy ogniwami o minimalnej grubości separacji. W ten sposób projektanci uzyskują lekkie akumulatory, które mogą być podatne na zapłon. W większości ogniw litowo-jonowych bardzo reaktywne materiały są połączone w ciasnej przestrzeni i znajdują się bardzo blisko lotnych i wysoce łatwopalnych elektrolitów.

Główne Przyczyny Pożarów Akumulatorów

Główne przyczyny pożarów akumulatorów litowo-jonowych to przegrzanie oraz zwarcie, wynikające z uszkodzeń mechanicznych, celowego zwarcia oraz efektów termicznych. Dodatkowo, do zapłonu mogą prowadzić wady produkcyjne oraz nieprawidłowa eksploatacja.

Zwarcie

Zwarcie nie zawsze jest szkodliwe, ale jego efektem jest nagły wzrost temperatury akumulatora lub zjawisko termiczne, inicjujące iskrzenie, powstanie ognia albo wybuch. Charakter zdarzenia w dużej mierze zależy od rozmiaru ogniwa oraz poziomu naładowania. Przyczyną zwarcia mogą być czynniki zewnętrzne, jak i starzenie się akumulatora. W wielu przypadkach działania powodują (wewnętrzne lub zewnętrzne) połączenie biegunów baterii (+ i -) - które w normalnych i bezpiecznych warunkach są rozdzielone - co może następnie spowodować zwarcie.

Zwarcia są zazwyczaj spowodowane przez zewnętrzny materiał, który łączy bieguny tej samej baterii lub ogniwa, bądź przez uszkodzenia ogniw/modułów. Fizyczne uderzenie lub wstrząs sprzętu elektrycznego lub baterii może również wywołać zdarzenie termiczne, uszkadzając i przesuwając materiały mające kontakt z bateriami. Starzenie się baterii może prowadzić do zwarcia, gdy zniszczeniu ulegają podatne na uszkodzenia materiały wewnątrz baterii. Obejmuje to tworzenie dendrytów, czyli wzrostu przewodzących kryształów wewnątrz akumulatora, które mogą wystawać poza separator biegunów i tworzyć wewnętrzne zwarcie prowadzące do termicznego rozbiegu. Tworzenie się dendrytów jest zwykle spowodowane kombinacją starzenia się i niedoskonałego procesu ładowania/rozładowywania. Baterie litowe bez obudowy są również uważane za uszkodzone, ponieważ ich bieguny znajdują się bliżej siebie.

Przegrzanie

Nieprawidłowa eksploatacja, jak i wcześniejsze zwarcie, mogą przyczynić się do nadmiernego nagrzania, a w efekcie przegrzania ogniwa. Jeżeli temperatura przekroczy poziom granicy zapłonu, dojdzie do nieodwracalnej reakcji pożaru i wybuchu.

Nieprawidłowe Użytkowanie i Wady Produkcyjne

• Niska jakość ogniw: Producenci sprzętu elektronicznego coraz częściej stosują akumulatorki słabej jakości, które są tanie i podatne na awarie.
• Nieprawidłowe ładowanie: Ładowanie niezgodne z zaleceniami producenta, przeładowywanie urządzeń lub używanie nieoryginalnych ładowarek może zwiększać ryzyko pożaru.
• Samodzielne modyfikacje: Wszelkie próby samodzielnych przeróbek systemów bateryjnych, takie jak zwiększanie mocy, ingerencja w elektronikę sterującą czy wymiana pojedynczych ogniw, mogą doprowadzić do przegrzania i zapłonu. Interwencja w system sterujący, ustawiony przez producenta w sposób optymalny i bezpieczny, może być bardzo niebezpieczna.
• Wady fabryczne: W niektórych przypadkach wady produkcyjne mogą być bezpośrednią przyczyną pożarów.

Mechanizm Zapłonu Akumulatora (Thermal Runaway)

Zjawisko thermal runaway, czyli niekontrolowanego wzrostu temperatury prowadzącego do samozapłonu, sprawia, że pożary akumulatorów litowo-jonowych są wyjątkowo trudne do opanowania. Proces ten przebiega w kilku etapach:

1. Około 80°C: Temperatura ogniwa wzrasta, dochodzi do uszkodzenia powłoki ochronnej anody (SEI), która zaczyna się rozkładać, generując ciepło w reakcji litu z rozpuszczalnikami użytymi w elektrolicie.
2. Około 100-120°C: Elektrolit zaczyna się rozpadać w reakcji egzotermicznej, uwalniając ciepło i szereg rozmaitych gazów, takich jak wodór, etylen, etan, tlenek węgla i metan.
3. Około 120-130°C: Separator, oddzielający katodę od anody, ulega topnieniu. Efektem jest wewnętrzne zwarcie w wyniku zetknięcia się elektrod, co prowadzi do dalszego, szybkiego wzrostu temperatury i generowania jeszcze większej ilości ciepła.
4. Około 130-150°C: Katoda zaczyna się rozpadać w kolejnej reakcji chemicznej, uwalniając ciepło wraz z elektrolitem, co generuje również tlen. To właśnie uwalnianie tlenu w połączeniu z palnym elektrolitem pozwala na spalenie się ogniwa i zapłon.
5. Powyżej 150-180°C: Reakcja może stać się samowystarczalna, jeśli ogniwo nie będzie szybko odprowadzać wytwarzanego ciepła. W tym momencie ogniwo znajduje się w fazie thermal runaway, ponieważ wytwarzanie tlenu sprawia, że ogień jest samowystarczalny aż do zużycia całego paliwa. Ciśnienie gazów w obudowie akumulatora rośnie, przez co wzrasta ryzyko rozerwania i wybuchu. Może dojść do zapłonu gazów oraz elektrolitu, a w konsekwencji pożaru.

Wartości progowe dla poszczególnych etapów procesu są specyficzne dla danego ogniwa - zależą od składu chemicznego oraz poziomu naładowania akumulatora. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższe napięcie ogniwa lub stan naładowania, tym niższa jest temperatura początkowa rozbiegu termicznego.

Skutki Pożarów Akumulatorów

Pożar akumulatorów to duże zagrożenie dla ludzi i środowiska, niosące za sobą katastrofalne skutki:

• Zagrożenie dla życia i zdrowia: Pożar stanowi bezpośrednie zagrożenie dla zdrowia i życia pracujących w zakładach recyklingu, a także dla użytkowników urządzeń elektronicznych. Wydzielane podczas pożaru toksyczne gazy mogą być śmiertelne, a dym z pożaru baterii litowych zawiera substancje palne, rakotwórcze, toksyczne i żrące.
• Szkody środowiskowe: Spalone odpady nie nadają się do recyklingu, a sam pożar powoduje emisję wielu toksycznych substancji lotnych do atmosfery. Pożary zużytych ogniw mogą mieć miejsce również podczas transportu odpadów.
• Straty materialne: Pożar nie tylko niszczy same śmieci i paraliżuje pracę zakładu, ale w wielu przypadkach prowadzi do zniszczenia budynków lub infrastruktury.

Skala Problemu i Incydenty

Problem pożarów akumulatorów rośnie wraz z ich powszechnym zastosowaniem. Według danych firmy UL Solutions, badającej sytuację na 12 rynkach, w tym w USA, Kanadzie, Chinach, Indiach, Niemczech i Wielkiej Brytanii, zgłoszono około 16 tysięcy incydentów z udziałem baterii litowo-jonowych, najczęściej pożarów. W ubiegłym roku liczba takich zdarzeń wyniosła ponad 3,8 tys., podczas gdy w 2023 roku było to 2,5 tys., a w 2020 roku - 734 incydenty. Najczęściej dotyczyło to urządzeń konsumenckich i e-pojazdów mikromobilności.

W 2019 roku przeprowadzono specjalne badanie wśród ponad 100 przedsiębiorstw zajmujących się gospodarką odpadami na terenie Unii Europejskiej. Badanie wykazało, że w procesie przetwarzania odpadów najczęściej dochodziło do zapłonu podczas transportu oraz obróbki wstępnej, mechanicznej i rozdrabniania. Jednocześnie najrzadziej pożary wybuchały podczas załadunku oraz na składowiskach odpadów rozdrobnionych. W 37% przypadków skutkiem pożaru było zniszczenie budynku, gdzie odbywał się proces. Zdarzenia takie jak pożar śmieciarki przy ulicy Galileusza w Poznaniu, spowodowany baterią wyrzuconą do odpadów zmieszanych, podkreślają znaczenie prawidłowej segregacji.

Zgodnie z oficjalnym raportem brytyjskiego Office for Product Safety and Standards (OPSS) w 2024 roku w Wielkiej Brytanii zgłoszono 211 pożarów hulajnóg i e-rowerów - w 93 procentach tych zdarzeń przyczyną było zapalenie się baterii lub generatora. W 39 procentach miało to miejsce podczas ładowania. Podobne zagrożenia pojawiają się także w Polsce, gdzie media i Straż Pożarna informowały o serii groźnych incydentów. Do pożarów doszło między innymi w budynkach w Elblągu, Poznaniu i Gdyni, gdzie zapaliły się hulajnogi ładowane w piwnicach i na balkonach.

Zapobieganie Pożarom Akumulatorów

Prawidłowa eksploatacja oraz bezpieczeństwo na etapie utylizacji ogniw i samego sprzętu elektronicznego są kluczowe w zapobieganiu pożarom. Świadomość na temat zagrożeń płynących z eksploatacji tanich akumulatorków niskiej jakości oraz nieprawidłowego użytkowania sprzętu elektronicznego jest niezwykle istotna.

Prawidłowa Eksploatacja i Użytkowanie

• Wybór ogniw: Stosowanie wysokiej jakości ogniw akumulatorowych od zaufanych producentów i dostawców.
• Profesjonalne naprawy: Samodzielna naprawa pakietu akumulatorów nie jest dobrym pomysłem. W przypadku konieczności regeneracji, należy skontaktować się z profesjonalnym serwisem, wyposażonym w odpowiedni sprzęt i korzystającym ze specjalnych procedur bezpieczeństwa.
• Monitorowanie temperatury: Regularnie sprawdzaj temperaturę swoich urządzeń podczas ładowania i użytkowania. Nie narażaj baterii na nagrzewanie, na przykład przez nasłonecznienie.
• Oryginalne ładowarki: Używaj wyłącznie oryginalnych ładowarek od renomowanych producentów i zawsze ładuj baterie w warunkach zalecanych przez producenta.
• Unikanie przeładowania: Nie pozostawiaj urządzeń podłączonych do ładowania na zbyt długi czas, zwłaszcza w nocy w sypialni, gdzie pożar może zaskoczyć użytkownika w warunkach utrudniających ewakuację. Amerykańska Federalna Agencja ds. Zarządzania Kryzysowego (FEMA) ostrzega, że nieprawidłowe ładowanie urządzeń w domach to jedno z najczęstszych źródeł zagrożeń.
• Kontrola uszkodzeń: Regularnie sprawdzaj swoje urządzenia pod kątem uszkodzeń mechanicznych. Nie stosuj uszkodzonych baterii, ponieważ mogą spowodować zapalenie się.
• Unikanie modyfikacji: Nigdy nie dokonuj samodzielnych przeróbek systemów bateryjnych, które mogą prowadzić do przegrzania i zapłonu.

Prawidłowa Utylizacja i Recykling

• Identyfikacja i znakowanie: Niezwykle ważna jest świadomość producentów sprzętu elektronicznego w zakresie oznaczania urządzeń ze wbudowanymi niewymiennymi ogniwami. Ułatwia to pracownikom zakładów utylizacji szybką ocenę i bezpieczne postępowanie z odpadami.
• Segregacja odpadów: Zużytych baterii, akumulatorów oraz urządzeń elektronicznych nie wolno wyrzucać do pojemników na odpady zmieszane. Należy je przekazywać do specjalnie wyznaczonych punktów zbiórki elektroodpadów, które znajdują się między innymi w sklepach, szkołach oraz w punktach selektywnej zbiórki odpadów komunalnych (PSZOK).
• Bezpieczne przechowywanie: Jednym ze sposobów zapobiegania propagacji ciepła oraz ognia jest stosowanie specjalnych szaf oraz pojemników do przechowywania baterii i akumulatorów. Przechowuj baterie w suchym, chłodnym miejscu, z dala od materiałów łatwopalnych.

Badania i Nowe Technologie w Zakresie Bezpieczeństwa Akumulatorów

Naukowcy nieustannie pracują nad zwiększeniem bezpieczeństwa akumulatorów litowo-jonowych. Przykładem są badania nad niepalnymi elektrolitami.

Niepalny Akumulator Litowo-Jonowy

Naukowcy z Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) skonstruowali elastyczne ogniwo litowo-jonowe, wykorzystujące całkowicie nową technologię elektrolitów WiS (Water in Salt) oraz WiBS (Water in Bisalt). Ogromną zaletą rozwiązania jest pozbawienie jego konstrukcji wysoce reaktywnych rozpuszczalników oraz substancji toksycznych i łatwopalnych, obecnych dotąd w akumulatorach litowo-jonowych. Nowe elektrolity elastyczne, po wkomponowaniu ich przez konstruktorów w polimerowe podłoże, podnoszą efektywność energetyczną ogniwa, zwiększając tym samym jego żywotność.

Testy Pożarowe Akumulatorów LTO i NMC

Akumulatory litowo-jonowe można podzielić na różne rodzaje ze względu na zastosowane materiały. Dwa popularne typy to akumulatory LTO (litowo-tytanowe) i NMC (niklowo-manganowo-kobaltowe). Akumulatory LTO są bardzo stabilne w różnych warunkach temperaturowych, przez co charakteryzują się dużym bezpieczeństwem oraz żywotnością, a ich koszt wytworzenia jest niższy niż w przypadku NMC, do których produkcji wykorzystywane są rzadkie i drogie materiały.

Badania akumulatorów LTO oraz NMC, wykonane w Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpożarowej - PIB, miały na celu poznanie bezpieczeństwa pożarowego w trzech scenariuszach:

1. Długotrwałe ładowanie (moduł LTO): W wyniku przeładowania dochodziło do rozszczelnienia pojedynczej celi i wyrzutu niewielkiej ilości gazu rozkładowego, któremu towarzyszył pióropusz iskier, prowadząc do zapłonu gazu i rozerwania celi.
2. Ogrzewanie płomieniem zewnętrznym (ogniwa LTO i NMC):
   • W przypadku ogniwa LTO poddanego oddziaływaniu ognia, następował powolny wyrzut gazu rozkładowego z otworu wentylacyjnego, po czym pojawiały się stałe produkty rozkładu w formie żarzenia i płomienia.
   • W przypadku modułu NMC, skierowanie palnika na jego dolną ścianę powodowało wypływowi gazu, któremu towarzyszył głośny, wysoki dźwięk i znaczna liczba płonących cząstek. Gaz był palny, a maksymalna temperatura płomienia osiągała 1371°C.
3. Ogrzewanie płytą grzewczą (moduły LTO i NMC):
   • Oddziaływanie promieniowania cieplnego na spodnią część modułu LTO prowadziło do rozszczelnienia otworów wentylacyjnych i uwolnienia dużej objętości gazów rozkładowych. Rozerwanie celi i gwałtowny strumień ognia sprzyjały rozprzestrzenianiu się ognia na sąsiednie cele, prowadząc do reakcji łańcuchowej. Powstające płomienie osiągały wysokość około 3 m.
   • W przypadku modułu NMC, podgrzewanie płytą grzewczą powodowało znaczny wzrost temperatury (do 730°C dla obudowy zewnętrznej), rozszczelnienie otworu wentylacyjnego i gwałtowny zapłon wydobywającego się gazu rozkładowego.

Gaszenie Pożarów Akumulatorów

Gaszenie baterii litowo-jonowych jest skomplikowanym procesem, ponieważ wewnątrz układu baterii wzrost temperatury powoduje generowanie dodatkowego ciepła, wywołując reakcję łańcuchową. Problem polega na reaktywności litu, który sprawia, że bateria nieustannie dostarcza tlenu do pożaru, przez co awaria może trwać naprawdę długo, a jedna usterka w danym ogniwie może doprowadzić do kaskadowego wzrostu zagrożenia na cały system akumulatorów. Kluczowe znaczenie ma chłodzenie ogniw, ponieważ to ta część odpowiada za rozprzestrzenianie się awarii. Nie każda gaśnica jest do tego odpowiednia.

Metody Gaszenia i Testy

Badania w CNBOP-PIB oceniły również możliwości ugaszenia ogniw w trakcie pożaru:

• Gaszenie wodą (LTO): Na płonący moduł LTO podawano przez 2 minuty zwarty strumień wody o wydatku 55 dm³/min. Pożar ogniwa został ugaszony w czasie poniżej 2 sekund, a temperatura modułu spadła do około 20°C. Po ugaszeniu obserwowano wydzielanie się niewielkiej objętości białych gazów, których dynamika wypływu zmniejszała się w czasie. Temperatura modułu wzrosła następnie do około 70°C, a potem malała do temperatury otoczenia.
• Gaszenie wodą (NMC): Zapłon modułu NMC nastąpił dużo szybciej niż w przypadku LTO. Na płonący moduł podawano przez 2 minuty zwarty strumień wody o wydatku 55 dm³/min. Pożar został ugaszony w czasie poniżej 5 sekund. Jednak po ugaszeniu płomienia obserwowano wydzielanie się ograniczonej objętości białych gazów, których dynamika wypływu zwiększała się w czasie. W trakcie podawania wody doszło do rozszczelnienia się ogniw, czemu towarzyszył wybuch. Po około 5,5 minutach od zakończenia podawania wody nastąpił wzrost temperatury modułu do około 350°C. Moduły NMC w porównaniu z LTO palą się gwałtowniej i są trudniejsze do ugaszenia, niezależnie od rodzaju podejmowanych działań i użytych środków gaśniczych. W przypadku modułu NMC doszło do zjawiska thermal runaway, mimo schłodzenia ogniwa do temperatury poniżej 70°C.

Woda umożliwia ugaszenie pożaru modułów w ciągu kilku (LTO) lub kilkudziesięciu sekund (NMC) z widocznym efektem chłodzącym. Skuteczne gaszenie za pomocą urządzenia gaśniczego wymaga stosunkowo niewielkiej odległości dyszy od źródła ognia. Zwiększenie liczby prądów gaśniczych skraca czas ugaszenia. W przypadku pożarów modułu NMC zaobserwowano wybuchy fizyczne i odłamkowanie, co może stanowić zagrożenie dla strażaków podejmujących działania gaśnicze.

Nałożenie szczelnie na moduł koca gaśniczego lub płachty wymaga zastosowania środków ochrony osobistej i obecności co najmniej dwóch przeszkolonych osób. Przykrycie płachtą wstępnie ugaszonego modułu jest skutecznym sposobem ograniczenia promieniowania cieplnego, fizycznych efektów rozszczelnienia ogniw oraz w pewnym stopniu rozprzestrzeniania się gazów.

Aby być przygotowanym na wypadek pożaru, warto zaopatrzyć się w specjalistyczną gaśnicę przeznaczoną do gaszenia pożarów baterii i akumulatorów. Gaszenie zapalonej baterii litowo-jonowej ma ogromne znaczenie, nie tylko dla sprzętu, ale także dla zdrowia, ponieważ wydzielane wówczas opary są szkodliwe dla człowieka.

tags: #pozar #akumulatorow #i #baterji