Litij-jonske baterije kao uzročnik požara

U vremenu digitalnih inovacija i mobilnosti litij-jonske baterije su kucajuće srce industrije i svakodnevno korištenih uređaja poput telefona, laptopa, električnih bicikala i skutera. No, da li ovo srce pumpa odveć vrelu krv u vrijeme sve češćih požara povezanih s ovim uređajima i koji je odgovor industrije na potrebu da imamo najbolje iz svjetova energetike i sigurnosti?

Piše: Mirza Bahić; E-mail: mirza.bahic@asadria.com

Litij-jonske baterije danas mnogi časte nadimkom “motora 21. stoljeća”. Kao važno rješenje za pohranu energije za prijenosne elektronske uređaje i električna vozila, ovi proizvodi su danas prometejska vatra za svijet koji neprestano traži više mobilnosti, digitalizacije, umreženosti i održivosti u jednom paketu. Ipak, s njihovom širom primjenom došla je i uvećana i statistički dobro potkrijepljena opasnost od izbijanja požara u situacijama koje su za mnoge još nepoznanica.

 Je li greška u samom dizajnu baterija?

Jezgra litij-jonskih baterija sastoji se od mnoštva manjih ćelija, od kojih svaka sadrži dvije elektrode odvojene separatorom. Ove ćelije olakšavaju kretanje nabijenih čestica, poznatih kao litij-joni (odatle i ime), kroz provodljivo otapalo između elektroda. Proces obuhvata punjenje i pražnjenje te omogućava bateriji da pohranjuje i oslobađa energiju i napaja nebrojene mobilne uređaje, od laptopa do električnih vozila. Kada se baterija puni, litij-joni migriraju s pozitivne elektrode (katode) kroz provodljivi elektrolit i idu prema negativnoj elektrodi (anodi), gdje se pohranjuju. Tokom pražnjenja proces je obrnut, pri čemu se litij-joni vraćaju na pozitivnu elektrodu, stvarajući električnu struju koja napaja uređaj.

Odabir litija kao primarnog elementa u baterijama sveo se na lakoću ovog elementa i veliku gustinu energije koja se povezuje s njim. U poređenju s tradicionalnim baterijama, kao što su nikl-kadmijske ili one s olovnom kiselinom, litij-jonske baterije nude znatno veći kapacitet pohrane energije, što ih čini idealnim za prijenosne uređaje kojima treba dugotrajno napajanje.

Dakle, odgovor na pitanje iz naslova je jednostavan: litij-jonske baterije nisu nesigurne po dizajnu. Ako su proizvedene i korištene prema industrijskim standardima, riječ je o općenito sigurnim uređajima. Ipak, važno je znati da postoje inherentni rizici povezani s radom takvih baterija i oni se mogu pripisati različitim faktorima, kao što su promjene temperature, fizička oštećenja, prekomjerno punjenje, proizvodni nedostaci ili nepravilna upotreba.

 Zašto litij-jonske baterije postaju sigurnosni rizik?

Litij-jonske baterije su ugasile trajnu žeđ za prijenosnom energijom, omogućavajući nam da ostanemo umreženi i radimo efikasno te probijamo nove granice u transportu. Međutim, zajedno sa svim neospornim prednostima one nose i konkretne sigurnosne rizike koji se najviše tiču izbijanja požara u potpuno neočekivanim situacijama. No, ako smo ustanovili da nisu nesigurne same po sebi, zašto se izvještaji o požarima sa smrtnim ishodima i velikim materijalnim štetama danas šire medijima brzinom vatrene stihije? Razlog je prost i tiče se igre velikih brojeva – baterije su danas popularnije nego ikada, a njihovo brzo usvajanje nije pratila jednako revnosna kampanja podizanja svijesti o pravilnom rukovanju i postupanju u slučaju incidenata.

Prije svega, kada se litij-jonske baterije pokvare ili pretrpe štetu, one mogu predstavljati znatno veću opasnost od pojave požara i eksplozija. Nekoliko faktora može doprinijeti kvaru baterije, uključujući nepravilnu upotrebu i čuvanje ili pogrešnu tehniku punjenja. Fizički udari kao što su ispuštanje, drobljenje ili bušenje baterije mogu uzrokovati oštećenja koja ugrožavaju integritet i sigurnost ovih uređaja. Vanjski izvori topline, poput otvorenog plamena ili grijača, kao i temperature iznad 55 stepeni mogu ubrzati kvarove uređaja s oštećenim ćelijama ili onih s fabričkim greškama. Isto tako, punjenje litij-jonskih baterija pri temperaturama ispod nule može dovesti do stvaranja trajne metalne obloge od litija na anodi. Ova obloga povećava rizik od kvara baterije i, proporcionalno, požara.

Zato je pridržavanje proizvođačevih uputa za uređaje za punjenje i baterije ključno za sprečavanje oštećenja. Za smanjenje rizika neki punjači koriste mehanizam cikličkog napajanja kako bi izbjegli prekomjerno punjenje, dok tzv. brzi punjači često nemaju ovu funkciju, tako da je ovdje ključna savjest korisnika. Ipak, preporuka struke je korištenje punjača prema uputama proizvođača kako bi se održala sigurnost baterije.

 Izbjegavanje termičkog pobjega

Esencijalno je, dakle, izbjeći dovođenje baterije u kvarno stanje. No, šta ako je do toga već došlo bez korisnikove svijesti o postojanju problema? U slučaju kvara baterije toplina koja se oslobađa tokom radnog procesa može oštetiti obližnje ćelije, pokrećući lančanu reakciju poznatu kao termički pobjeg (runaway). Visoka energijska gustoća litijskih baterija čini ih podložnijim takvim reakcijama. Ovisno o faktorima kao što su njihov hemijski sastav, veličina, dizajn, tipovi komponenti i pohranjena količina energije, kvarovi litijskih ćelija mogu rezultirati hemijskim reakcijama i aktiviranjem sagorijevanja, što dovodi do oslobađanja topline i prevelikog pritiska.

Hemijske reakcije unutar baterije dižu ovaj pritisak do tačke u kojoj se zidovi ćelije šire i dolazi do curenja nusproizvoda iz otopine. Ovi nusproizvodi uključuju ugljik-monoksid, ugljik-dioksid, vodonik i ugljovodonike i kao takvi su jako zapaljivi i jedan od faktora izbijanja požara, pa čak i eksplozija. Kao otežavajući faktor kod zapaljenja baterija, sagorijevanje u nekim slučajevima može uzrokovati odvajanje fluora od litijskih soli u bateriji. Kada se pomiješa s vodenom parom, fluor može proizvesti fluorovodoničnu kiselinu, vrlo opasnu supstancu koja može imati dugoročne ali inicijalno neprimjetne posljedice po ljudsko zdravlje. Zbog svega navedenog je jasno da je adekvatno razumijevanje ovih procesa i uvrštavanje spoznaja o njihovoj mehanici imperativ u planiranju smjernica i najboljih praksi za sigurno rukovanje ovim izvorima napajanja.

 Ekološka tranzicija i pristupačnost kao faktor rasta broja incidenata

I naizgled nepovezani globalni događaji imali su utjecaja na okretanje reflektora u pravcu litij-jonskih baterija kao sigurnosnog rizika. Nakon izbijanja pandemije upotreba skutera i e-bicikala je znatno porasla, posebno u segmentu isporuka robe i hrane te odlazaka na posao. Ovaj nagli skok doveo je do skoka cijene transportnih uređaja, što je navelo pojedince da traže proizvođače s nižim standardima kontrole kvaliteta za svoje sisteme baterija. Jednom kada se tržište stabiliziralo, nastavljena je velika potražnja za litij-jonskim baterijama, prvenstveno vođena potrebama ekološke tranzicije. Očekuje se da će globalna potražnja za litij-jonskim baterijama porasti više od pet puta do kraja 2030. godine, navode u organizaciji Li-Bridge.

Potražnju u stopu prati i broj pratećih incidenata s požarima. Prema podacima osiguravajuće kompanije Zurich, samo u 2021. došlo je do gotovo 150-postotnog povećanja broja požara uzrokovanih eksplozijom litij-jonskih baterija u e-skuterima i e-biciklima. Istovremeno, broj požara ovog tipa je do kraja septembra 2022. nastavio rasti za dodatnih 28% u odnosu na mjesečni prosjek u 2021. godini.

Kao lakmus-papir za dominantne sigurnosne trendove na ovom tržištu može poslužiti američki grad New York. U 2019. godini u New Yorku je izbilo 30 požara koje su tamošnje službe pripisale korištenju baterija u električnim biciklima ili skuterima. Godinu kasnije broj se povećao na preko 40. Do 2021. učestalost požara se više nego udvostručila, dostigavši cifru od ukupno 104 incidenta u samo jednom gradu. Na kraju, po isteku 2022. litij-jonske baterije su identificirane kao uzročnik 220 požara, što je rezultiralo smrću šest osoba i 147 povrijeđenih u tim incidentima. Navedene brojke navele su interventne službe da potraže pomoć struke u potrazi za uzrocima ovih pojava, s namjerom smanjenja njihove učestalosti.

 Odgođeni požari kao jedinstven protivpožarni izazov

Jedan od važnijih uzroka izbijanja požara u električnim vozilima i skuterima su i sudari koji rezultiraju oštećenjem baterije. Oni mogu dovesti do pucanja ćelija baterije, uzrokujući unutrašnje kratke spojeve i prateće požare.

Za razliku od vozila s konvencionalnim motorima, nakon sudara električnih vozila javlja se jedinstven fenomen “naknadnih” požara, što je poseban rizik za interventne službe koje se tek upoznaju s ovom pojavom.

Pionirska istraživanja na ovom planu radio je američki Nacionalni odbor za sigurnost transporta (NTSB). Odbor je proveo istragu o tri incidenta koji su uključivali naknadno zapaljenje litij-jonskih baterija u električnim vozilima. Umjesto očekivanog zapaljenja baterije tokom vožnje ili neposredno nakon sudara, primijećeno je da su vozila planula nakon više sati, pa i dana poslije incidenta.

Naprimjer, u Lake Forestu u Kaliforniji električni džip je udario u stambenu garažu i zapalio se. Vatrogasci su najprije morali potrošiti neobično veliku količinu vode (preko 70.000 litara) na vatru koja se nije gasila najmanje dva sata. Tek kada su podigli vozilo kako bi direktno ugasili plamteću bateriju, temperatura se dovoljno snizila da omogući sigurno uklanjanje vozila s terena. Međutim, čak i tokom transporta na šleperu baterija se ponovo zapalila sama od sebe. U gradu Mountain Viewu u istoj regiji desio se sličan slučaj, samo što je baterija vozila po prebacivanju na odlagalište izazvala naknadni požar nakon nevjerovatnih pet dana.

Iako ne postoje jasni dokazi koji ukazuju na to da su električna vozila sklonija zapaljivanju u odnosu na konvencionalna, u nekim situacijama proces termičkog pobjega u litij-jonskim baterijama može biti odgođen ili usporen do neprimjetnosti. Zapravo, početni udar i oštećenje baterije mogu pokrenuti spor ali neumitan slijed reakcija, što na kraju dovodi do neočekivanih požara nakon dužeg perioda, i to na lokacijama poput deponija ili odlagališta oštećenih vozila. Jednako važan izazov tiče se ugroženosti vozača šlepera s oštećenim vozilima s litij-jonskim baterijama. Oni su izloženi riziku od izbijanja iznenadnih naknadnih požara koji se lako mogu proširiti na njihova vozila i dodatno otežati posao vatrogascima.

Neugasiva požarna žeđ i prolongirane intervencije

Još jedno važno pitanje je problem efikasnog gašenja požara na vozilima s litij-jonskim baterijama koji se tiče dostupnosti nestandardno velikih količina vode i dužine trajanja intervencija, koje zadržavaju osoblje na terenu duže nego inače. Struka navodi da u nekim slučajevima za gašenje požara na električnim vozilima treba i 110.000 litara vode. Ova količina može varirati, ali mnoge vatrogasne službe već sada ne mogu računati na korištenje jednake količine vode za intervencije na električnim vozilima kao za tipične požare u zgradama.

 Električna vozila doprinijela potonuću broda Felicity Ace?

Nisu samo šleperi i logistička infrastruktura ugroženi specifičnim rizicima zapaljenja vozila s litij-jonskim baterijama. Teretni brod Felicity Ace je 1. marta 2022. potonuo u blizini Azora u Atlantiku, što je rezultiralo gubitkom oko 3.965 automobila. Procjenjuje se da je među njima bilo blizu tri stotine električnih vozila, što je predstavljalo dodatni izazov u gašenju požara jer obuzdavanje plamena na litij-jonskim baterijama zahtijeva upotrebu velikih količina suhih hemikalija, među kojima su ABC prah, ugljik-dioksid, grafit u prahu i natrij-karbonat. Posada je morala napustiti brod, a pokušaji da se požar ugasi samo vodom pokazali su se nedjelotvornim. Istovremeno, brodovi i trajekti za prijevoz automobila posebno su izloženi riziku od ovakvih požara zbog svoje unutrašnje konfiguracije jer im nedostaju unutrašnje pregrade, što olakšava lančano širenje požara na druga vozila.

Ilegalne modifikacije vozila kao otežavajući faktor

U uslovima autentičnog buma u korištenju skutera s litij-jonskim baterijama, interventne službe nemaju saveznika ni u ilegalnim radnjama koje je ovaj trend donio. Kao ilustracija može poslužiti tragični incident koji se 1. januara 2023. desio u stambenom bloku u britanskom gradu Bristolu i rezultirao smrću jedne i hospitalizacijom osam osoba. Istraga je pokazala da je vatra izbila u hodniku stana, a kao uzrok se navodi amaterski preuređeni e-bicikl s litijskom baterijom. Lokalne vlasti su navele da je za ovo odgovoran trend omasovljavanja primjene tzv. kompleta za konverziju, koji omogućavaju naknadnu ugradnju električnih motora na standardne bicikle. Ovim kompletima često nedostaje baterija, što potrošače dovodi u iskušenje da preko interneta kupuju jeftinije alternative i neprovjerene punjače u čijem dizajnu nisu ispoštovani industrijski sigurnosni standardi. Kako su ove nestandardne baterije sklonije kvarovima, rizik od požara je višestruko veći.

Podzemne garaže i deponije kao infrastrukturni rizik

Sve šira upotreba litij-jonskih baterija u transportnim vozilima poput e-bicikala i e-skutera izazvala je pravu uzbunu među sigurnosnim profesionalcima zbog učestalih požarnih incidenata uzrokovanih ovim proizvodima. Osim toga, kako globalna tranzicija ka vozilima s nultom emisijom štetnih gasova dobija na zamahu, javljaju se glasovi zabrinutosti u vezi s potencijalnim rizicima koja predstavljaju podzemna parkirališta. Ove lokacije danas su pune električnih automobila i punjača, a same po sebi ne predstavljaju pristupačan ambijent za protivpožarne operacije.

U nekim zemljama već su oglašeni alarmi za uzbunu: nakon znatnog rasta broja požara uzrokovanih e-biciklima i e-skuterima u Londonu (s osam na 59 slučajeva u samo dvije godine), tamošnji transportni regulator je zatražio zabranu korištenja privatnih e-vozila u vozilima podzemne željeznice i autobusima.

U istom periodu organizacija ESA je upozorila da su ove baterije opasne i kada su izvan aktivne upotrebe jer se mogu oštetiti tokom odlaganja na deponiju ili pripreme za reciklažu. To je u prvom redu povezano s rizikom da će litij-jonske baterije u tom procesu biti zgnječene, razbijene ili izložene vremenskim uvjetima, što olakšava samozapaljenje ili pojavu eksplozija. Istovremeno, ove baterije su postale dovoljno sveprisutne u svakodnevnom životu da ih korisnici sada odlažu zajedno s ostalim smećem i reciklažnim otpadom, bez obzira na to što se radi o svojevrsnim požarnim tempiranim bombama.

Stručnjaci zato naglašavaju važnost zasebnog i pravilnog recikliranja litij-jonskih baterija, uz sigurno odlaganje izvan naseljenih mjesta i adekvatnu zaštitu od vremenskih neprilika. Oštećene baterije su poseban izvor rizika jer ih se mora odlagati zasebno i čuvati u kontejnerima napunjenim pijeskom ili drugim inertnim materijalima kao što je vermikulit.

 Podatkovni centri rješenje traže u redizajnu objekata

Litij-jonske baterije su glavni osumnjičenik i u nekoliko razornih požara u podatkovnim centrima. Jedan od njih desio se početkom 2021. godine, kada je OVHcloud, evropski ponuđač cloud usluga, u požaru izgubio jedan od centara u Strazburu. Vjeruje se i da je razorni požar u centru Maxnod u Francuskoj u martu ove godine uzrokovan zapaljenjem litij-jonske baterije. U svjetlu potencijalnih rizika povezanih s litij-jonskim baterijama u ovim objektima, stručnjaci naglašavaju važnost njihovog redizajna. To se u prvom redu odnosi na izmještanje baterija u posebne prostorije koje će biti opremljene zidovima i plafonima otpornim na vatru. Istovremeno, u upotrebu bi se uveli sistemi za gašenje požara pjenom umjesto vodom.

Odgovor industrije

U ovom trenutku čini se da se državni regulatori i industrija natječu u pronalaženju univerzalnog lijeka za zapaljivi problem litij-jonskih baterija. Rješenje je, čini se, u fuziji oba pristupa, pri čemu će pionirske korake uraditi zemlje s najvećim brojem korisnika, odnosno incidenata povezanih s ovim uređajima.

Tako je, naprimjer, u Sjedinjenim Američkim Državama u toku inicijativa za donošenje zakona o potrošačkim standardima za litij-jonske baterije. Cilj je uspostava sigurnosnih standarda za baterije u električnim skuterima i biciklima, koji će uključiti i smjernice za zaštitu potrošača. Regulatori su pri tome naglasili potrebu globalnog reguliranja distribucije ovih baterija iz različitih država, što je zasigurno još jedan eho tekućeg trgovinskog rata SAD-a i Kine.

Za razliku od regulative, segment edukacije korisnika je vjerovatno najviše odmakao kada je u pitanju sprečavanje požara. Najbolje prakse zaštite su dobro poznate i uključuju izbjegavanje izlaganja baterija ekstremnim temperaturama i što rjeđe prekonoćno i kontinuirano punjenje. Odabir renomiranih brendova i originalnih uređaja za punjenje još je jedan važan korak ka sprečavanju rizika. Prilikom punjenja, smatraju eksperti, važno je osigurati i adekvatnu cirkulaciju zraka radi sprečavanja akumulacije topline. Preporučljivo je i držati i puniti električna vozila izvan zatvorenih prostorija, idealno u namjenskom izoliranom prostoru na čijem osiguravanju moraju raditi lokalne vlasti.

Angažman vlasti na prevenciji gubitaka života i materijalnih dobara ovdje podrazumijeva i zakonski reguliranu pohranu i standardizirane postupke rukovanja litij-jonskim baterijama, posebno tokom tranzita na brodovima ili kamionima nakon saobraćajnih nesreća.

Na kraju, tu je i gotovo neograničeni potencijal same sigurnosne industrije da ponudi rješenja za različite rizike, uključujući i one nove ili manje poznate. Rano otkrivanje neočekivanih i odgođenih požara na baterijama osigurat će se kroz cjelodnevno praćenje transporta uređaja, potpomognuto korištenjem termalnih skenera, detektora plina, topline i dima te nadzornih kamera s mogućnošću rane detekcije požara. Industrija, naravno, može ponuditi i specijaliziranu obuku za osoblje uključeno u postupke rukovanja baterijama, kao i za gašenje požara na osnovu dosadašnjih iskustava s ovim incidentima. Svima je jasno jedno: ukoliko želimo da se tehnološka baklja litij-jonskih baterija ne zagasi prerano, njihove bezbrojne prednosti uzet ćemo jednako ozbiljno kao i sigurnost svih korisničkih grupa koji je i dalje žele koristiti.