Mehanička oštećenja kao uzroci požara baterija

Početkom mjeseca svjedočili smo užasnoj nesreći u Veneciji, koja je ponovo pokrenula debatu o izazovima koje predstavljaju električna vozila u smislu opasnosti od požara. Električni autobus, koji proizvodi kineska grupa Yutong registrovan je početkom 2023. godine (dakle, potpuno nov). Probio se kroz barijeru i pao sa skoro 15 metara. Ukupno 21 putnik je stradao.

Kako je objavljeno na BBC-ju, “komandir vatrogasne brigade Mauro Longo rekao je za internet stranicu Il Gazzettino da su se baterije u autobusu zapalile i da je zadatak čišćenja autobusa bio složena operacija”. Usredsredimo se sada, zahvaljujući novom doprinosu Claudiusa Jehlea, izvršnog direktora Volytica diagnostics GmbH (koji je već autor serije članaka znanja The Battery Cycle), na odnose između baterija i rizika od požara.

Uprkos činjenici da električna vozila – prema različitim statistikama – imaju mnogo manje šanse da izgore od vozila sa motorom sa unutrašnjim sagorijevanjem, to još uvijek rade s vremena na vrijeme. A kada se jednom zapale, većinu podtipova Li-ion baterija, uključujući NMC i LFP, bez obzira na uzrok, izuzetno je teško ugasiti.

Razlozi za zapaljenje su višestruki; posebno opasni i podmukli su elektrohemijski izazvani defekti unutar ćelije koji rastu tokom vremena zbog teške ili neuobičajene upotrebe, kao što je često brzo punjenje ili rad u hladnim okruženjima (posebno) Li-ion baterija zasnovanih na NMC. Jednom kada narastu, perforiraju ćelije iznutra, povezujući pozitivnu i negativnu elektrodu iznutra i na taj način uzrokujući lokalizirani, naizgled minijaturni kratki spoj koji može dovesti do kvara ćelije ili – u najgorem slučaju – više kratkih spojeva i time lavine vrućih spojeva – zloglasnih termalnih bijegova.

Takvi unutrašnji defekti sami po sebi predstavljaju izazov, budući da je njihov makroskopski uticaj suptilan, a trendovi su uočljivi samo u vremenskim okvirima dužim od lokalnih elektronskih sistema. Ovo je slično kancerogenom tkivu u živim organizmima – tokom veoma dugih perioda praktično se ne može otkriti, ali kada takvo tkivo postane vidljivo makroskopski, često je prekasno za preduzimanje odgovarajućih radnji. U oba slučaja, samo pažljivo dugotrajno praćenje sa pravim sistemima za detekciju može ublažiti posebno izazovne rizike od požara izazvanih ćelijama.

Mora se jasno reći da svaki Li-ion podtip ima svoju osjetljivost i podložnost uslovima korištenja, a dok je za jedan tip brzo punjenje na niskim temperaturama (npr. za najnovije NMC-ove bogate niklom) kritično, može biti potpuno prihvatljivo za drugog (npr. LTO). Dobro ste pročitali – najnovija, odnosno najnovija NMC tehnologija posebno je delikatna kada je u pitanju robusnost. “Glad” za dometom i gustinom energije ima svoju cijenu: dodavanje više nikla povećava domet, ali smanjuje temperature samozapaljenja, stabilnost ciklusa i sklonost prema Li-platiranju. Vjeruje se da je LFP robusniji u tim aspektima, ali kada se jednom zapali, iz bilo kojeg razloga, LFP gori jednako snažno kao i drugi tipovi – neka istraživanja čak navode da je LFP posebno sklon deflagracijama oblaka pare.

Trenutni konsenzus je da su mnogi, ako ne i većina, požari uzrokovani pomoćnim komponentama ili drugim izvorima koji nisu povezani s baterijama. Pregrijavanje utikača za punjenje, neispravnih izolatora i kablova (u električnom vozilu ima mnogo, mnogo kablova) ili vanjskih izvora topline uzrokovat će izgaranje bilo koje Li-ion baterije s ostatkom, a da pritom neće uzrokovati požar. Ovi izvori vatre će se vjerovatno smanjivati sa zrelošću proizvodnje tokom vremena, dok to nije jednako tačno za gore navedene, elektrohemijski inducirane izvore.

Slučaj mehaničkog naprezanja se računa kao između. Veoma tipičan eksperiment za procjenu sigurnosti novih stanica je ‘test penetracije noktom’ – ekser se probija kroz ćeliju, a učinci se bilježe i mjere. Tipično (ali opet, u zavisnosti od ćelijske hemije) se vidi plamen i/ili para kako izbijaju sa mjesta, koji će se uskoro zapaliti ili na drugi način eksplodirati – pokušajte da pretražite internet za video snimke. Ako se prisjetite procesa interno potaknute vatre odozgo, ovo vas ne smije iznenaditi: provodljivi metal presijeca pozitivne i negativne elektrode, u ovom slučaju ne rastu iznutra sedmicama i mjesecima, već odmah. Međutim, u suštini, isti mehanizam: povezivanje onoga što treba razdvojiti, oslobađanje puno energije u vrlo kratkom vremenu, lokalizirana žarišta, samonasilno ponavljanje, termalni bijeg.

Zamišljanje udara, nesreće, iznenadne kompresije zbog sudara ili prodiranja u sistem baterije vanjskih materijala ili materijala vezanih za vozilo (npr. rešetke) – velika je vjerovatnoća kritičnog oštećenja. Posebno su zločesti slučajevi bez očiglednih udubljenja – u nedostatku vizuelnih znakova treba se osloniti na eksterne dijagnostičke alate, jer je opet lokalna elektronika napravljena za siguran rad, a ne za rubne slučajeve potpunog otkrivanja. Snimanje takvog ‘lajt šoka’ događaja nanijelo je određenu štetu, opet nedovoljno za predstojeći događaj u punoj mjeri. Takva oštećenja prije oštećenja mogu veoma vjerovatno značajno povećati vjerovatnoću preranog kvara kasnije, zbog mnogo manjeg od drugog velikog utjecaja.

Da rezimiramo: U nekim slučajevima, defekti unutar ćelije, uzrokovani korištenjem, uzrokuju paljenje baterije. Vjeruje se da je mnogo više slučajeva uzrokovano vanjskim silama, koje vrlo vjerovatno mogu izazvati neposredne, pa čak i odložene požare. Sa svakom oštećenom baterijom morate postupati s najvećom pažnjom. Kao i kod praćenja zdravlja ljudi – nemojte se oslanjati na doktora samo kada dođe do problema, već prevenirajte.