Požar litij-ionske baterije: zašto nastaje i kako se gasi

Požar litij-ionske baterije ne ponaša se kao požar drveta ili benzina. Baterija nosi gorivo, toplotu i vlastiti kisik u jednom zatvorenom paketu, pa vatra ne treba zrak izvana i ne može se ugušiti. Nastaje iznutra, u ćeliji koja se pregrije, i širi se s ćelije na ćeliju dok ima šta da gori. Ovaj tekst objašnjava kako do toga dolazi, koji gasovi pritom izlaze, zašto prah i CO2 ne pomažu, šta stvarno radi voda i kako smanjiti rizik kod kuće i u jedinici.

Kako nastaje požar litij-ionske baterije: toplotni bijeg

Litij-ionska ćelija je sendvič od anode, separatora i katode, namotan ili složen u limenku ili vrećicu i natopljen zapaljivim elektrolitom. Dok radi kako treba, hemijske reakcije u njoj troše i oslobađaju malo toplote, a kućište je odvodi. Toplotni bijeg (en. thermal runaway) počinje kad se taj odnos obrne: reakcije proizvode više toplote nego što ćelija može predati okolini, pa temperatura raste sama od sebe i ubrzava reakcije koje je podižu.

Okidač može biti bilo šta što lokalno zagrije ćeliju: unutrašnji kratki spoj zbog oštećenja ili proizvodne greške, prepunjavanje, prebrzo punjenje na hladnoći, vanjska toplota ili udarac. Prag zavisi od hemije ćelije, ali redoslijed je uvijek isti.

Oko 90 °C počinje da se raspada zaštitni sloj na anodi (SEI, en. solid electrolyte interphase), što oslobađa toplotu i gura temperaturu dalje. Iznad 120 °C topi se polimerni separator i elektrode se dodirnu, pa nastaje kratki spoj unutar ćelije. Od oko 150 °C katoda se raspada i otpušta kisik. Od tog trenutka ćelija gori iznutra, bez potrebe za zrakom, a u ogledima na standardnim ćelijama 18650 izmjerene su temperature do 850 °C (Golubkov i dr., 2014).

Jedna ćelija u bijegu grije susjedne. U bateriji e-bicikla ili alata ćelija ima na desetine, u automobilu na hiljade, i upravo to širenje čini požar dugim i teškim za gašenje.

Zašto stanje napunjenosti odlučuje

Puna baterija je opasnija od prazne. Stanje napunjenosti (en. state of charge, SOC) odlučuje hoće li ćelija uopšte otići u bijeg. Ogledi na ćelijama 18650 pokazali su da ćelije moraju biti napunjene iznad određenog praga da bi uopšte otišle u toplotni bijeg, a što je stanje napunjenosti više, to bijeg počinje na nižoj temperaturi i dostiže višu maksimalnu temperaturu uz više gasa (Golubkov i dr., 2015). Prepunjena baterija je najgori slučaj. To je i razlog zašto se baterije za skladištenje i prevoz čuvaju djelimično napunjene, a ne pune.

Šta izlazi iz baterije koja gori

Dim iz litij-ionske baterije nije običan dim. Ćelija pri bijegu ispušta veliku zapreminu gasa: u ogledima do četvrtine mola po ćeliji 18650, što je nekoliko litara iz jedne ćelije veličine prsta. Glavni sastojci su ugljen-dioksid, ugljen-monoksid i vodonik, dakle smjesa koja je istovremeno otrovna i zapaljiva (Golubkov i dr., 2018). Kad se taj gas nakupi u zatvorenom prostoru i nađe izvor paljenja, dolazi do bljeska ili eksplozije prije nego što se išta zapali u klasičnom smislu.

Uz to ide fluorovodonik (HF). Elektrolit sadrži fluorisane soli, a u požaru one daju HF: mjerenja na sedam vrsta komercijalnih baterija dala su 20 do 200 miligrama HF po vat-satu kapaciteta (Larsson i dr., 2017).

Za bateriju e-bicikla od 500 Wh to je red veličine 10 do 100 grama gasa koji nagriza oči, kožu i disajne puteve. Zato se u prostor s baterijom koja se dimi ne ulazi bez izolacionog aparata, a ljudi se izvode uz vjetar, ne niz njega.

Zašto prah i CO2 ne pomažu

Prah i ugljen-dioksid gase tako što prekidaju lančanu reakciju plamena ili istiskuju kisik iz zraka. Toplotni bijeg ne treba ni jedno ni drugo: kisik dolazi iz katode, a toplota iz same ćelije. Prah ili CO2 mogu na trenutak ugasiti plamen gasa koji izlazi, ali ćelija nastavlja da se grije i pali se ponovo čim se oblak razvuče. Isto važi za protivpožarne pokrivače: oni sprečavaju širenje na okolinu, ne gase bateriju, a u zatvorenom prostoru mogu zadržati gas do deflagracije (UL FSRI).

Zato litij-ionske baterije ne spadaju u klasu B ni u klasu D. Metalni litij, koji se koristi u nekim nepunjivim baterijama, jeste klasa D i gasi se posebnim prahom, ali litij-ionska ćelija metalni litij nema. Norma ISO 3941:2026 uvela je za njih novu klasu L, koja još nije ušla u evropske norme za aparate, pa nijedan prenosivi aparat zasad ne nosi tu oznaku. Više o tome u tekstu o klasama požara.

Šta stvarno radi: voda i vrijeme

Jedino što zaustavlja toplotni bijeg je hlađenje ćelija ispod temperature na kojoj se reakcije same održavaju, a za to je voda i dalje najbolje sredstvo: ima najveći toplotni kapacitet, ima je dovoljno i ne traži dodatke (UL FSRI). Problem nije sredstvo nego pristup. Baterija je u kućištu koje vodu ne pušta do ćelija, pa mlaz na vanjsku stranu paketa hladi lim, a ne izvor toplote. Istraživači to kažu direktno: voda koja ne dopire do ćelija ne hladi ih, i zato se baterija kasnije ponovo zapali (UL Research Institutes).

Iz toga slijede tri taktike koje jedinice danas koriste.

Mala baterija koja se može pomjeriti, poput one iz e-bicikla, romobila ili alata, gasi se vodom i hladi dok se dim ne smiri, a zatim se po mogućnosti izoluje: iznese na otvoreno i uroni u posudu s vodom ili zatvori u metalnu posudu s inertnim punilom. Uranjanje hladi ćelije koje mlaz nije mogao dohvatiti i istovremeno prazni preostalu energiju.

Velika baterija koju nije moguće pomjeriti, poput one u vozilu, pusti se da izgori uz zaštitu okoline. Voda ide na ono što se može spasiti i na susjedne objekte, a prema paketu samo ako do ćelija stvarno dopire. Vozilo koje slobodno gori ugasi se samo za oko sat i po (UL FSRI).

U oba slučaja nakon požara ostaje “zarobljena energija” (en. stranded energy): ćelije koje nisu izgorjele i dalje su napunjene i oštećene, što znači rizik od strujnog udara i novog toplotnog bijega satima ili danima kasnije (NTSB). Preporuka istraživača je jednostavna: dok baterija nije očito potpuno izgorjela, pretpostaviti da se može ponovo zapaliti, pratiti dim, zvukove i temperaturu termalnom kamerom prije otpuštanja mjesta, i držati ostatke na otvorenom, dalje od svega zapaljivog.

Kako smanjiti rizik kod kuće i u jedinici

Većina požara litij-ionskih baterija u stanovima počinje na punjaču. Pravila koja savjetuju vatrogasne organizacije svode se na nekoliko navika (NFPA):

• Kupovati uređaje, baterije i punjače koje je ispitala nezavisna laboratorija i puniti samo punjačem koji je došao s uređajem. Jeftin zamjenski punjač bez nadzora napona najčešći je uzrok prepunjavanja.
• Puniti dok je neko budan i u blizini, i isključiti kad je baterija puna. Ne puniti preko noći ni u hodniku kroz koji se bježi iz stana.
• Ne puniti na krevetu, kauču ili uz grijalicu, i ne puniti bateriju koja je hladna od vožnje po mrazu dok se ne ugrije na sobnu temperaturu.
• Odmah prestati koristiti bateriju koja se napuhala, promijenila boju ili oblik, grije se, miriše ili ne prima punjenje. Iznijeti je na otvoreno, dalje od zgrade, i ne bacati u kućni otpad.
• Ako baterija počne da sikće, dimi ili pucketa, izaći iz prostora, zatvoriti vrata i zvati vatrogasce. Nema smisla pokušavati gasiti aparatom za prah.

U jedinici važi isto za baterije alata, radio-stanica i termalnih kamera: puniti na nezapaljivoj podlozi, dalje od vozila i skladišta opreme, i rashodovati oštećene ćelije umjesto da se čuvaju “za svaki slučaj”.

Česta pitanja

Može li se požar litij-ionske baterije ugasiti vodom? Da, i voda je najbolje što imamo, uz uslov da dopire do ćelija. Puno vode i dugo hlađenje, a za male baterije uranjanje. Strujni udar od male baterije nije opasnost; kod visokonaponskih baterija vozila i spremnika energije važe posebni postupci.

Zašto se baterija ponovo zapalila nekoliko sati nakon gašenja? Jer gašenje nije ohladilo sve ćelije. One koje su ostale napunjene i oštećene nastavile su da se griju dok nisu dostigle prag bijega. Ostaci se zato drže na otvorenom i nadziru.

Je li opasno udisati dim iz baterije? Da. Osim ugljen-monoksida sadrži fluorovodonik, koji nagriza disajne puteve i kožu, i vodonik, koji je eksplozivan. Prostor se napušta, a ulazi se samo s izolacionim aparatom.

Pomaže li protivpožarni pokrivač? Štiti okolinu od plamena i prskanja, ali ne gasi bateriju, jer ona ne treba zrak. U zatvorenom prostoru može zadržati zapaljivi gas, pa se koristi samo na otvorenom i uz hlađenje.

Smijem li napuhanu bateriju staviti u vodu? Za male baterije uranjanje u posudu s vodom na otvorenom je prihvaćen način da se sigurno isprazne prije zbrinjavanja. Posuda mora biti dovoljno velika, a baterija potpuno pod vodom.