Akademia Pożarnicza: temat baterii Li-ion w debacie inżynierii bezpieczeństwa
W programie konferencji Akademii Pożarniczej *„Inżynieria bezpieczeństwa: geneza, wyzwania, perspektywy"* znalazł się wykład:
> „Bezpieczeństwo baterii litowo-jonowych – zagrożenia oraz wyzwania" — dr Wojciech Mrozik, Newcastle University.
Bezpośrednio po nim zaplanowano kolejne wystąpienie:
> „Wczesna detekcja rozkładu ogniw – istotny element systemu bezpieczeństwa w procesie magazynowania baterii trakcyjnych" — st. bryg. dr inż. Małgorzata Majder-Łopatka, Akademia Pożarnicza.
To zestawienie pokazuje, że Akademia Pożarnicza traktuje baterie litowo-jonowe nie tylko jako problem gaszenia pożaru, ale jako zagadnienie szersze: obejmujące rozpoznanie zagrożeń, procesy chemiczne, emisję gazów, detekcję, magazynowanie i bezpieczeństwo ratowników. W praktyce bateria Li-ion nie jest zwykłym „urządzeniem elektrycznym, które może się zapalić". To źródło energii chemicznej, które w razie awarii może wydzielać ciepło, dym, toksyczne substancje oraz palne gazy.
> Wniosek: Obecność tematów baterii litowo-jonowych w programie Akademii Pożarniczej pokazuje, że problem bezpieczeństwa Li-ion stał się częścią polskiej debaty naukowej, pożarniczej i inżynierskiej.
Newcastle University i dr Wojciech Mrozik: dlaczego gazy są tak ważne?
Dr Wojciech Mrozik z Newcastle University zajmuje się bezpieczeństwem i wpływem środowiskowym baterii litowo-jonowych. W ramach projektu SafeBatt prowadzonego przez Faraday Institution analizuje miejsca i mechanizmy, w których baterie mogą ulec awarii, oraz sposoby ograniczania ryzyka.
W opisie jego pracy Faraday Institution wskazuje, że badania obejmują ekstremalne scenariusze awarii — m.in. przeładowanie małego domowego magazynu energii. Podczas takich testów analizowane są:
- skład gazów wydzielanych przez baterię,
- objętość wydzielonych gazów,
- zachowanie temperatury wewnątrz systemu,
- temperatura w otoczeniu,
- moment spadku napięcia,
- przebieg awarii rejestrowany kamerami.
> Badania wskazują: Przy awarii baterii Li-ion kluczowe jest nie tylko pytanie „czy pojawi się płomień?", ale również „jakie gazy powstaną, ile ich będzie, gdzie się zgromadzą i czy mogą stworzyć atmosferę palną lub wybuchową?".
Vapour cloud explosion — wybuch chmury gazowej z baterii
Jednym z najważniejszych wniosków z badań zespołu prof. Paula Christensena z Newcastle University jest wskazanie zagrożenia określanego jako vapour cloud explosion — wybuch chmury gazowej.
Według Faraday Institution, w 2020 r. prof. Christensen i jego zespół zwrócili uwagę na wcześniej niedostatecznie rozpoznane zagrożenie: podczas thermal runaway, czyli ucieczki termicznej baterii litowo-jonowej, może dojść do wydzielenia chmury gazów. Może się to zdarzyć w sytuacji przegrzania, zgniecenia lub przeładowania ogniw.
Taka chmura może zawierać m.in.:
- wodór (H₂),
- tlenek węgla (CO),
- dwutlenek węgla (CO₂),
- bardzo drobne krople organicznych rozpuszczalników stosowanych w elektrolicie (DMC, EMC, EC),
- inne produkty rozkładu chemicznego baterii.
> Kluczowy wniosek: Jeżeli bateria Li-ion wydziela palne lub wybuchowe gazy, projekt zabezpieczenia nie może ograniczać się tylko do gaszenia płomienia. Trzeba również przewidzieć bezpieczne odprowadzenie gazów, ograniczenie ich nagromadzenia i ochronę osób znajdujących się w pobliżu.
Dlaczego to jest ważne dla straży pożarnej, projektantów i użytkowników?
W klasycznym pożarze głównym przeciwnikiem jest ogień. W przypadku baterii litowo-jonowych zagrożenie ma kilka warstw:
1. Ogniwo może wejść w thermal runaway, czyli gwałtowną, samonapędzającą się reakcję cieplną. 2. Zanim pojawi się płomień, może dojść do wydzielania gazów. 3. Gazy mogą być toksyczne, palne lub wybuchowe. 4. Po ugaszeniu widocznego płomienia bateria może nadal pozostawać niestabilna i ponownie się zapalić.
Dla strażaków oznacza to konieczność ostrożnej oceny sytuacji. Dla projektantów systemów bezpieczeństwa — konieczność uwzględnienia detekcji gazów i temperatury, kierunkowego odgazowania, wentylacji, ograniczenia nagromadzenia gazów, ochrony przed propagacją oraz separacji baterii od ludzi i budynków.
> Co to oznacza w praktyce? Bezpieczeństwo baterii Li-ion powinno być projektowane warstwowo: BMS, detekcja, monitoring temperatury, niepalna obudowa, separacja od otoczenia, kontrolowane odgazowanie i procedury postępowania awaryjnego powinny działać razem.
Wczesna detekcja rozkładu ogniw — polski kierunek badań
W programie konferencji Akademii Pożarniczej szczególnie istotne jest wystąpienie st. bryg. dr inż. Małgorzaty Majder-Łopatki pt. *„Wczesna detekcja rozkładu ogniw – istotny element systemu bezpieczeństwa w procesie magazynowania baterii trakcyjnych"*.
Sam tytuł wskazuje na bardzo ważny kierunek: bezpieczeństwo baterii powinno zaczynać się przed pożarem. Chodzi o wykrycie pierwszych objawów rozkładu ogniw, zanim dojdzie do płomienia, eksplozji lub propagacji na kolejne moduły. Skoro podczas awarii baterii mogą powstawać gazy, a te gazy mogą poprzedzać zapłon, to system bezpieczeństwa powinien wykrywać nie tylko dym i temperaturę, ale również symptomy chemiczne i gazowe.
> Ważne: Wczesna detekcja rozkładu ogniw może być ważniejsza niż sama reakcja na widoczny płomień. Im wcześniej system wykryje nieprawidłowość, tym większa szansa na ograniczenie skutków awarii.
Koło Naukowe DeteCtor Akademii Pożarniczej
Ważnym sygnałem, że temat detekcji i baterii jest obecny w Akademii Pożarniczej, jest również działalność Koła Naukowego DeteCtor, które złożyło projekt:
> *„Monitoring egzotermicznego rozkładu ogniw litowo-jonowych, jako narzędzie wczesnej identyfikacji zagrożeń"*.
„Egzotermiczny rozkład" oznacza proces, w którym w ogniwie zaczynają zachodzić reakcje wydzielające ciepło. Jeżeli taki proces zostanie wykryty wcześnie, można zwiększyć szanse na ograniczenie skutków awarii. Z punktu widzenia użytkownika domowego magazynu energii, sklepu z hulajnogami, serwisu rowerów elektrycznych albo punktu zbiórki baterii oznacza to jedno: bezpieczeństwo nie powinno opierać się wyłącznie na reakcji po pojawieniu się ognia.
Gaszenie baterii Li-ion — ważne, ale nie wystarczające
Polski dorobek naukowy obejmuje również badania dotyczące gaszenia baterii litowo-jonowych. W katalogu Biblioteki Akademii Pożarniczej znajduje się rozprawa doktorska mgr inż. Natalii Kraus-Namroży pt.:
> *„Analiza skuteczności tłumienia pożaru baterii litowo-jonowych za pomocą instalacji mgły wodnej niskociśnieniowej z dyszą DMS"* (promotor: dr hab. inż. Dorota Brzezińska, prof. PŁ; Akademia Pożarnicza, Warszawa, 2024).
Badania obejmowały oddziaływanie mgły wodnej na pożar baterii Li-ion — początkowo na poziomie pojedynczych ogniw, następnie niewielkich modułów, a ostatecznie zestawów odpowiadających magazynom energii. Według opisu pracy badania potwierdziły dużą skuteczność instalacji mgły wodnej niskociśnieniowej w ograniczaniu rozprzestrzeniania się pożaru, również w większych zestawach LIB. To ważny element układanki, ale nie zamyka tematu: przy bateriach Li-ion trzeba równocześnie analizować emisję gazów, możliwość ponownego zapłonu i propagacji oraz bezpieczeństwo osób w pobliżu.
Badania Fire Technology: chłodzenie może pomagać, ale zwiększa znaczenie zarządzania gazami
W artykule naukowym *„Performance of Extinguishing Agents against Lithium-Ion Battery Fires"* opublikowanym w Fire Technology (Springer), autorzy — m.in. Wojciech Mrozik i Paul Christensen — badali skuteczność różnych metod tłumienia pożaru baterii Li-ion w małym domowym systemie magazynowania energii o pojemności 8 kWh.
Testowano m.in.: mgłę wodną, środek kapsułkujący, środek węglanowy, środek mieszany oraz ciekły azot. Wyniki pokazały, że niektóre metody opóźniały propagację thermal runaway, ale żadna z testowanych metod nie zapobiegła całkowicie propagacji i nie uratowała systemu przed zniszczeniem. Autorzy wskazali również krytyczny problem: produkcja chmury par i gazów była powiązana ze skutecznością chłodzenia, a to zwiększa znaczenie strategii zarządzania oparami i gazami.
> Badania wskazują: Chłodzenie i gaszenie mogą ograniczać skutki awarii, ale bez kontroli gazów i par nadal może istnieć ryzyko pożaru, ponownego zapłonu lub wybuchu chmury gazowej.
Co to oznacza dla magazynów energii, hulajnóg i baterii narzędziowych?
W praktyce temat dotyczy wielu zastosowań: domowych magazynów energii LiFePO₄, akumulatorów NMC w hulajnogach i rowerach elektrycznych, baterii narzędziowych, punktów ładowania, serwisów, sklepów, magazynów zużytych baterii oraz pojemników na odpady bateryjne.
Nawet jeżeli dana chemia ogniwa (np. LiFePO₄) jest stabilniejsza termicznie od NMC, cały system nadal może generować ryzyko. W realnym urządzeniu mamy nie tylko ogniwa, ale również BMS, przewody, złącza, obudowę, ładowarkę, warunki pracy, możliwość uszkodzenia mechanicznego i błędy użytkowania. Dlatego zabezpieczenia powinny być projektowane warstwowo.
Wnioski dla PassivX
Dla rozwiązań takich jak PassivX najważniejszy wniosek jest następujący: komora bezpieczeństwa dla baterii nie powinna być komunikowana jako zwykła skrzynka ani jako „magiczny system gaszenia". Jej główną funkcją powinno być ograniczanie skutków awarii.
W świetle badań Akademii Pożarniczej, Newcastle University i Fire Technology, kluczowe funkcje takiej komory to:
- separacja baterii od ludzi i budynku,
- ograniczenie rozprzestrzeniania się ognia,
- ograniczenie wpływu wysokiej temperatury na otoczenie,
- kontrolowane odgazowanie,
- możliwość zastosowania elementów tłumiących płomień (flame arrestor),
- monitoring temperatury,
- opcjonalna detekcja gazów lub VOC,
- ograniczenie możliwości nagromadzenia palnych gazów,
- zwiększenie czasu na reakcję użytkownika lub służb,
- współpraca z profesjonalnym projektem ochrony przeciwpożarowej.
> Ważne zastrzeżenie: PassivX nie zastępuje opinii rzeczoznawcy ppoż., projektu ochrony przeciwpożarowej ani procedur ratowniczych. To rozwiązanie techniczne wspierające separację, ograniczanie propagacji, kontrolowane odgazowanie i zwiększenie czasu na reakcję.
Najważniejsze osoby i źródła
Dr Wojciech Mrozik — Newcastle University. Badacz zajmujący się bezpieczeństwem i wpływem środowiskowym baterii Li-ion. W programie Akademii Pożarniczej wystąpił z tematem „Bezpieczeństwo baterii litowo-jonowych – zagrożenia oraz wyzwania".
Prof. Paul Christensen — Newcastle University. Badacz związany z Newcastle University i Faraday Institution. Jego zespół wskazał ryzyko vapour cloud explosion — wybuchu chmury gazowej powstającej podczas awarii baterii Li-ion.
St. bryg. dr inż. Małgorzata Majder-Łopatka — Akademia Pożarnicza. Ekspertka APoż. W programie konferencji wystąpiła z tematem „Wczesna detekcja rozkładu ogniw – istotny element systemu bezpieczeństwa w procesie magazynowania baterii trakcyjnych".
Mgr inż. Natalia Kraus-Namroży — rozprawa doktorska APoż. Autorka rozprawy „Analiza skuteczności tłumienia pożaru baterii litowo-jonowych za pomocą instalacji mgły wodnej niskociśnieniowej z dyszą DMS", wydanej przez Akademię Pożarniczą w Warszawie w 2024 r.
Najważniejsze wnioski
1. Gazy są kluczowym zagrożeniem. Podczas awarii baterii Li-ion mogą powstawać palne, toksyczne lub wybuchowe gazy. W określonych scenariuszach mogą być groźniejsze niż sam płomień. 2. Thermal runaway to proces, nie pojedynczy moment. Ucieczka termiczna zaczyna się od wzrostu temperatury i rozkładu ogniwa, a dopiero później prowadzi do emisji gazów, zapłonu lub propagacji. 3. Wczesna detekcja rozkładu ogniw ma ogromne znaczenie. Tematy podejmowane przez Akademię Pożarniczą pokazują, że wykrywanie rozkładu przed pożarem jest jednym z kluczowych kierunków bezpieczeństwa. 4. Gaszenie nie rozwiązuje całego problemu. Chłodzenie i gaszenie są ważne, ale nie eliminują automatycznie ryzyka gazów, ponownego zapłonu i propagacji. 5. Potrzebne jest kontrolowane odgazowanie. Jeżeli bateria wydziela gazy, system bezpieczeństwa powinien przewidywać ich kierunkowe i możliwie bezpieczne odprowadzenie. 6. PassivX to warstwa ograniczania skutków awarii. Komora bezpieczeństwa powinna separować baterię od otoczenia, ograniczać propagację i dawać więcej czasu na reakcję.
FAQ
Czy gazy z baterii Li-ion mogą być groźniejsze niż płomień? Tak. Badania Newcastle University i Faraday Institution wskazują, że podczas thermal runaway może powstawać chmura gazów zawierająca m.in. wodór, tlenek węgla i składniki organicznych rozpuszczalników. W określonych warunkach taka chmura może być palna lub wybuchowa.
Czy Akademia Pożarnicza zajmuje się tematem baterii Li-ion? Tak. W programie konferencji Akademii Pożarniczej znalazły się wystąpienia dotyczące bezpieczeństwa baterii litowo-jonowych, zagrożeń, wyzwań oraz wczesnej detekcji rozkładu ogniw.
Kim jest dr Wojciech Mrozik? Badacz Newcastle University zajmujący się bezpieczeństwem i wpływem środowiskowym baterii Li-ion. W programie Akademii Pożarniczej wystąpił z tematem dotyczącym zagrożeń i wyzwań związanych z bateriami Li-ion.
Czym jest vapour cloud explosion? To wybuch chmury gazowej. W kontekście baterii Li-ion oznacza ryzyko zapłonu lub wybuchu gazów wydzielonych podczas awarii ogniwa lub modułu.
Czy wystarczy ugasić płomień baterii? Nie zawsze. W pożarach baterii Li-ion problemem jest nie tylko płomień, ale również temperatura, gazy, możliwość ponownego zapłonu i propagacja na kolejne ogniwa.
Czy LiFePO₄ jest całkowicie bezpieczne? LiFePO₄ jest stabilniejsze termicznie niż wiele ogniw NMC, ale nie oznacza pełnego braku ryzyka. Cały system magazynu energii obejmuje również BMS, przewody, złącza, obudowę, ładowanie i warunki pracy.
Po co potrzebna jest komora bezpieczeństwa dla baterii? Komora bezpieczeństwa pomaga oddzielić baterię od otoczenia, ograniczyć skutki awarii, uporządkować kierunek odgazowania, zmniejszyć ryzyko propagacji i zwiększyć czas na reakcję.
Czy PassivX jest systemem gaśniczym? Nie. PassivX to komora bezpieczeństwa, obudowa ochronna i system separacji oraz ograniczania skutków awarii. Może współpracować z dodatkowymi systemami detekcji, chłodzenia lub gaszenia, ale nie zastępuje projektu ppoż.
Źródła
1. Akademia Pożarnicza — konferencja „Inżynieria bezpieczeństwa: geneza, wyzwania, perspektywy". Program zawierający wystąpienie dr W. Mrozika oraz st. bryg. dr inż. M. Majder-Łopatki. apoz.edu.pl 2. Akademia Pożarnicza — Koło Naukowe DeteCtor. Projekt „Monitoring egzotermicznego rozkładu ogniw litowo-jonowych jako narzędzie wczesnej identyfikacji zagrożeń". apoz.edu.pl 3. Faraday Institution — Improving the Safety of Lithium-ion Battery Cells (Faraday Insights 17, lipiec 2023). Opis ryzyka vapour cloud explosion i badań prof. Paula Christensena. faraday.ac.uk (PDF) 4. Faraday Institution — Wojciech Mrozik, Newcastle University. Profil badacza. faraday.ac.uk 5. Fire Technology / Springer — Performance of Extinguishing Agents against Lithium-Ion Battery Fires. Mrozik, Christensen i in. link.springer.com 6. Biblioteka Akademii Pożarniczej — rozprawa doktorska N. Kraus-Namroży (2024). biblioteka.apoz.edu.pl
---
Projektujesz miejsce do przechowywania lub ładowania baterii Li-ion?
PassivX tworzy komory bezpieczeństwa, pojemniki i obudowy ochronne wspierające separację baterii od otoczenia, ograniczanie propagacji, kontrolowane odgazowanie i monitoring warunków pracy. Rozwiązania mogą być stosowane przy magazynach energii, bateriach LiFePO₄, hulajnogach, rowerach elektrycznych, narzędziach akumulatorowych oraz zużytych akumulatorach.
