Samochody elektryczne coraz gęściej pojawiają się na ulicach polskich miast. Wzbudza to liczne kontrowersje, zarówno wśród kierowców, jak i mechaników, którzy muszą dostosować swoje placówki i kompetencje do przyszłych serwisów EV. Tematem przewodnim są zasięgi i długie ładowania, ale też pożary. Chociaż statystycznie wciąż tylko niewielki procent „elektryków” się pali, to samozapłon może spowodować długotrwały i trudny dla służb proces gaszenia. Dlaczego tak się dzieje? Wyjaśniamy budowę i różne rodzaje akumulatorów stosowanych w elektromobilnej motoryzacji.

Spis treści

1. Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion): krótkie wprowadzenie
2. Różne typy akumulatorów
3. Zarządzanie termiczne baterii trakcyjnej
4. Ucieczka termiczna. Trójfazowy rozkład reakcji chemicznych
5. Dlaczego tak trudno ugasić pożar EV?
6. Długi czas akcji gaśniczej i ryzyko ponownego zapłonu
7. Podsumowanie

Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion): krótkie wprowadzenie

Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) stanowią kluczową technologię napędową we współczesnych pojazdach elektrycznych. Działanie tych ogniw opiera się na mechanizmie interkalacji, czyli odwracalnym wbudowywaniu i usuwaniu jonów litu z materiałów elektrodowych. Podczas rozładowania (dostarczania energii), jony litu przemieszczają się od elektrody ujemnej (anody) przez płynny elektrolit i separator do elektrody dodatniej (katody). W tym samym czasie elektrony przepływają przez obwód zewnętrzny, generując prąd elektryczny. Proces ładowania jest odwróceniem tej reakcji.

Struktura fizyczna każdego ogniwa jest fundamentalna dla tego procesu. Ogniwo składa się z czterech głównych komponentów: anody (ujemnej), katody (dodatniej), separatora oraz elektrolitu. Anoda jest zwykle wykonana z grafitu, który służy jako materiał gospodarza dla jonów litu. Katoda to materiał tlenkowy lub fosforanowy, który determinuje kluczowe właściwości energetyczne ogniwa. Między elektrodami znajduje się separator – porowata membrana, która fizycznie izoluje elektrody, zapobiegając zwarciom wewnętrznym, jednocześnie umożliwiając swobodny przepływ małych jonów. Elektrolit, będący roztworem soli litowej w rozpuszczalnikach organicznych, jest medium przewodzącym jony.

Różne typy akumulatorów

W EV dominują trzy główne chemie katodowe, z których każda oferuje odmienny kompromis między gęstością energii, bezpieczeństwem, żywotnością i kosztem:

Litowo-Żelazowo-Fosforanowe: Katoda LFP wykorzystuje fosforan litowo-żelazowy, który jest stabilny, a jego surowce (żelazo i fosfor) są obfite i tańsze niż nikiel czy kobalt. Akumulatory LFP charakteryzują się niższą gęstością energii, typowo w zakresie 90–120 Wh/kg, i niższym nominalnym napięciem: około 3.2V. Ich główną zaletą jest wyjątkowa stabilność termiczna i bezpieczeństwo. Ucieczka termiczna w ogniwach LFP inicjuje się przy wysokiej temperaturze, osiągającej 270°C. Z tego powodu ogniwa LFP znajdują zastosowanie w systemach magazynowania energii oraz w pojazdach EV, gdzie kluczowym priorytetem jest długa żywotność cyklowa (2000 cykli i więcej) oraz odporność na uszkodzenia.

Litowo-Niklowo-Manganowo-Kadmowe: Katody NMC są mieszanką niklu, manganu i kobaltu. Oferują one wyższą gęstość energii (150–325 Wh/kg) i wyższe napięcie nominalne (około 3.7V). To czyni je faworytami w przemyśle EV, zwłaszcza w modelach wymagających długiego zasięgu i wysokiej wydajności. Właściwości ogniwa zależą od proporcji składników. Na przykład, ogniwo NCM 712 ma 70% niklu, 10% kobaltu i 20% manganu. Zasadniczo, im wyższa zawartość niklu, tym wyższa gęstość energii, ale jednocześnie maleje stabilność termiczna i wzrasta koszt.

Litowo-Niklowo-Kadmowo-Aluminiowe: Ogniwa NCA są podobne do NMC, ale używają aluminium zamiast manganu, co ma na celu zwiększenie stabilności chemicznej. Chemia NCA charakteryzuje się najwyższą gęstością energii i mocy, dlatego jest stosowana w pojazdach elektrycznych o najwyższej wydajności. Wadami są wysoki koszt, ze względu na zawartość niklu i kobaltu, oraz marginalnie niższe bezpieczeństwo w porównaniu do LFP.

Zarządzanie termiczne baterii trakcyjnej

Skuteczne zasilanie pojazdu elektrycznego wymaga skalowania ogniw na poziom systemu, co realizuje hierarchiczna architektura Baterii Trakcyjnej (BAP).

System baterii EV jest budowany na trzech poziomach:

• Ogniwo: Podstawowa jednostka magazynowania energii, zawierająca elektrody i elektrolit.
• Moduł: to zespół wielu ogniw połączonych szeregowo lub równolegle w celu osiągnięcia pożądanych parametrów napięcia i pojemności. Integracja na poziomie modułu obejmuje instalację pierwszych podsystemów, takich jak Systemy Zarządzania Akumulatorem (BMS) i Systemy Zarządzania Ciepłem (TMS). Modułowa architektura jest kluczowa dla bezpieczeństwa (zapewnia izolację elektryczną między ogniwami) oraz ekonomiki serwisowania. Umożliwia wymianę pojedynczych modułów zamiast całego pakietu, co obniża koszty gwarancji i konserwacji.
• Pakiet: Finalny, kompleksowy system złożony z wielu modułów, Systemu Zarządzania Baterią (BMS), Systemu Zarządzania Termicznego (TMS) oraz wytrzymałej, hermetycznej obudowy ochronnej. Obudowa musi zapewniać odporność mechaniczną i trwałość, chroniąc ogniwa przed uszkodzeniem fizycznym i czynnikami środowiskowymi, takimi jak wilgoć i kurz.

System Zarządzania Termicznego (TMS) jest niezbędny, ponieważ ogniwa Li-ion pracują optymalnie tylko w wąskim, kontrolowanym zakresie temperatur. Utrzymanie stabilności termicznej wpływa bezpośrednio na wydajność, długość życia baterii, a przede wszystkim na bezpieczeństwo.

Istnieją trzy główne strategie chłodzenia baterii trakcyjnych:

• Chłodzenie powietrzem: Najtańsze i najprostsze w komercyjnym zastosowaniu. Obejmuje chłodzenie naturalne (konwekcja) lub wymuszone (wentylatory). Wadą jest niska efektywność chłodzenia, nierównomierny rozkład temperatury, a także problem hałasu.
• Chłodzenie cieczą (Liquid Cooling): Najczęściej stosowany system aktywny. Ze względu na większe ciepło właściwe cieczy niż powietrza, chłodzenie cieczą (np. glikolem) oferuje znacznie lepszą wydajność, szybszą regulację temperatury i, co najważniejsze, bardziej jednolity rozkład temperatury w pakiecie. Ujednolicenie temperatury jest krytyczne dla wydajności i zapobiegania defektom. Wadami są większa złożoność systemu, wyższe koszty i ryzyko wycieku cieczy.
• Materiały zmiennofazowe (PCM): Materiały, takie jak woski parafinowe, pochłaniają duże ilości ciepła utajonego podczas zmiany fazy, bez zmiany własnej temperatury. Są one stosowane głównie do zwiększenia pojemności magazynowania energii cieplnej i do izolacji ogniw w modułach.

System TMS pełni rolę aktywnego zabezpieczenia przed ucieczką termiczną, szczególnie w przypadku ogniw wysokoenergetycznych (NMC/NCA), które mają niższą stabilność termiczną niż LFP. Aktywny TMS, zwłaszcza chłodzenie cieczą, ma za zadanie utrzymać temperaturę ogniw poniżej progu rozkładu warstwy SEI. W ten sposób skuteczny TMS staje się kluczowym elementem bezpieczeństwa, bezpośrednio zapobiegającym inicjacji lawiny zdarzeń prowadzących do pożaru.

Ucieczka termiczna. Trójfazowy łańcuch reakcji chemicznych

Ucieczka termiczna to zjawisko, w którym ogniwo litowo-jonowe doświadcza samonapędzającego się, egzotermicznego wzrostu temperatury. Ciepło generowane w wyniku reakcji chemicznych wewnątrz ogniwa przewyższa zdolność systemu do jego odprowadzania, prowadząc do gwałtownego i niekontrolowanego zniszczenia struktury.

Inicjacja uczieczki termicznej może nastąpić w wyniku trzech głównych czynników:

• Uszkodzenia elektryczne, czyli najczęściej przeładowanie. Chociaż BMS ma systemy ochronne, ich awaria może prowadzić do ciągłego ładowania, co destabilizuje ogniwo.
• Uszkodzenia mechaniczne: uderzenie lub defekt produkcyjny może uszkodzić separator, prowadząc do zwarcia wewnętrznego i gwałtownego lokalnego wzrostu temperatury.
• Uszkodzenia termiczne: zewnętrzne przegrzanie, pożar innego ogniwa lub nieefektywny system chłodzenia (TMS) podczas szybkiego rozładowania może prowadzić do kumulacji ciepła.

Po zainicjowaniu, ucieczka termiczna rozwija się jako łańcuch reakcji chemicznych. Gdy ten proces zostanie aktywowany, jest on niemożliwy do natychmiastowego zatrzymania, a jego jedynym zakończeniem jest zużycie wszystkich reagentów. Proces odbywa się trójfazowo:

• Faza samopodgrzewania: Ta faza rozpoczyna się od uszkodzenia lub rozpuszczania membrany SEI na anodzie, co staje się zauważalne przy około 90 stopniach Celsjusza. Rozkład membrany jest reakcją egzotermiczną, uwalniającą ciepło, które z kolei przyspiesza dalszy proces. Jeśli w tym momencie nie zadziała zewnętrzny mechanizm chłodzący, temperatura będzie nieuchronnie rosła.
• Faza intensywnej reakcji: Gdy temperatura przekroczy 140 stopni Celsjusza, następuje masowe topnienie separatora polimerowego. Utrata integralności strukturalnej prowadzi do bezpośredniego kontaktu elektrod i rozległych zwarć wewnętrznych. Te zwarcia generują ciepło w postępie geometrycznym, co objawia się gwałtownym spadkiem napięcia ogniwa. W tym zakresie temperatur następuje również gwałtowny rozkład materiałów katodowych (zwłaszcza w chemiach NMC/NCA), które rozpadają się, uwalniając wolny tlen. Tlen ten wchodzi w reakcję z palnym elektrolitem, co prowadzi do intensywnej reakcji spalania wewnątrz ogniwa. Reakcje te generują ogromne ilości ciepła i gorących gazów (w tym wodór, metan, eten i tlenek węgla). Wzrost ciśnienia powoduje rozerwanie hermetycznej obudowy ogniwa, co jest widoczne jako erupcja materiałów i płomieni. Uwolniony wodór stwarza dodatkowe, poważne ryzyko wybuchu.
• Faza zakończenia i propagacji: ucieczka termiczna w pojedynczym ogniwie może zakończyć się naturalnie tylko po zużyciu wszystkich reagentów chemicznych. W systemach modułowych wysoka temperatura i gazy są efektywnie transferowane do sąsiednich ogniw. To zjawisko, znane jako rozprzestrzenianie się ucieczki termicznej, prowadzi do gwałtownego efektu domina, rozpalając cały pakiet baterii.

W kontekście bezpieczeństwa chemicznego, rozkład elektrolitu jest zjawiskiem, które wykracza poza samo zagrożenie pożarowe. Elektrolity często zawierają heksafluorofosforan litu. W fazie intensywnej reakcji, rozpad tej soli w wysokiej temperaturze prowadzi do uwolnienia wysoce toksycznego i żrącego fluorowodoru (HF). Analizy gazów pożarowych samochodów elektrycznych wykazały, że produkują one ponad dwukrotnie więcej szkodliwych fluorowodorów niż pojazdy spalinowe. Stanowi to poważne zagrożenie dla służb ratowniczych, wymagające użycia specjalistycznego sprzętu (aparaty oddechowe) i stałego monitorowania atmosfery wybuchowej i toksycznej.

Dlaczego tak trudno ugasić pożar EV?

Pożary pojazdów elektrycznych, choć statystycznie rzadsze niż pożary samochodów spalinowych, stanowią unikalne i poważne wyzwanie dla służb ratowniczych z powodu barier inżynieryjnych i chemicznej natury procesu spalania.

Głównym problemem jest lokalizacja i konstrukcja baterii. Akumulator trakcyjny znajduje się zazwyczaj w dolnej części podwozia i jest zamknięty w wytrzymałej, hermetycznie uszczelnionej obudowie. Ta konstrukcja ma chronić ogniwa przed wilgocią i uszkodzeniami mechanicznymi podczas normalnej eksploatacji. W przypadku pożaru staje się ona jednak krytyczną barierą, uniemożliwiającą strażakom skierowanie środka gaśniczego bezpośrednio do płonących ogniw. Oznacza to, że używana woda gasi jedynie zewnętrzne płomienie, nie ingerując w proces ucieczki termicznej toczący się wewnątrz obudowy.

Z punktu widzenia chemii, pożar baterii Li-ion jest podtrzymywany wewnętrznie. Niekontrolowana ucieczka termiczna dostarcza własnego paliwa (elektrolit, gazy) oraz własnego utleniacza (tlen uwalniany z rozkładu katody). Oznacza to, że tradycyjne metody gaszenia, polegające na usunięciu paliwa lub tlenu, są nieskuteczne w natychmiastowym zatrzymaniu procesu. Po osiągnięciu fazy intensywnej reakcji, jedynym punktem kontroli dla służb ratowniczych pozostaje temperatura.

Głównym celem działań gaśniczych jest masowe i ciągłe chłodzenie, aby obniżyć temperaturę pakietu poniżej progu propagacji i przerwać efekt domina. Proces ten wymaga ogromnych ilości wody. Ugaszenie pożaru pojedynczego samochodu osobowego elektrycznego może wymagać użycia nawet 10 metrów sześciennych wody. Intensywne chłodzenie wodą, pianą sprężoną lub proszkiem gaśniczym może być prowadzone nawet bez odłączania instalacji wysokiego napięcia w samochodzie.

Długi czas akcji gaśniczej i ryzyko ponownego zapłonu

Ze względu na konieczność długotrwałego chłodzenia, akcje gaśnicze są niezwykle czasochłonne. Średni czas działań gaśniczych szacuje się na około 1.5 godziny, ale całkowity proces chłodzenia baterii i stabilizacji jej temperatury może trwać kilka godzin, ze średnią wynoszącą 7 godzin. Znane są przypadki, gdy walka z pożarem trwała ponad 9 godzin, a całkowita akcja (wliczając zabezpieczenie i dekontaminację) może osiągnąć nawet 21 godzin.

Po ugaszeniu otwartego ognia konieczne jest przeprowadzenie dezaktywacji pojazdu zgodnie z kartą dezaktywacji oraz ciągłe monitorowanie temperatury i stanu obudowy akumulatora. Niewystarczające schłodzenie pakietu niesie ryzyko ponownego zapłonu, gdy wewnętrzne reakcje chemiczne ponownie osiągną krytyczny próg termiczny.

W odpowiedzi na te wyzwania, służby ratownicze stosują zaawansowane metody, w tym kontenery do gaszenia. Kontenery te umożliwiają izolację pojazdu oraz zastosowanie długotrwałego procesu chłodzenia, często poprzez zalanie go wodą. Strategia ta stanowi logistyczną odpowiedź na potrzebę wielogodzinnego, kontrolowanego rozpraszania ciepła. Choć istnieją ostrzeżenia, że zalanie wodą w kontakcie z bateriami może prowadzić do gwałtownych reakcji chemicznych i eksplozji, intensywne chłodzenie pozostaje podstawową metodą przerywania propagacji ucieczki termicznej.

Poważnym aspektem procedur pożarowych EV jest zarządzanie odpadami. Uwolnienie toksycznych gazów, w tym fluorowodoru, prowadzi do skażenia wody gaśniczej i środowiska. Zgodnie z procedurami, po ugaszeniu konieczne jest zabezpieczenie skażonej wody i pobranie próbek przez specjalistyczne jednostki w celu analizy składu toksycznego i zarządzania powstałym odpadem niebezpiecznym. Wymaga to zaangażowania logistycznego i finansowego, które wykracza daleko poza standardowe operacje gaszenia pojazdów spalinowych.

Podsumowanie

Działanie akumulatora samochodu elektrycznego jest zależne od jego składu chemicznego. W przypadku pożaru i wystąpienia ucieczki termicznej, struktura baterii i chemia ogniw stwarzają ekstremalne wyzwania dla służb ratowniczych. Hermetyczna obudowa, która ma chronić ogniwa w normalnej eksploatacji, uniemożliwia bezpośrednią interwencję. Pożar jest samopodtrzymujący, ponieważ reakcje chemiczne dostarczają własnego paliwa i tlenu. W efekcie, standardowe procedury gaśnicze są nieskuteczne. Działania ratownicze muszą przejść od próby gaszenia do ciągłego, masowego chłodzenia, które ma na celu jedynie przerwanie propagacji ciepła na sąsiednie ogniwa.

Pożary EV wymagają radykalnej zmiany w protokołach ratowniczych, stawiając wysokie wymagania co do sprzętu ochrony osobistej i procedur kontroli atmosfery – mowa tutaj o szkodliwych emisjach w przypadku zapłonu. Konieczność wielogodzinnego chłodzenia i późniejsza utylizacja dużych ilości skażonej wody gaśniczej stanowią znaczące wyzwania logistyczne i ekologiczne, które muszą być systemowo uwzględniane w rozwoju infrastruktury wspierającej elektromobilność.