Tam elektrikli araçlarda pil yangınları ve etkin söndürme sistemlerinin incelenmesi

İçten yanmalı motorlu araçlardan kaynaklanan yüksek miktarda sera gazı salınımı ve bunun sonuçlarından biri olan çevresel kirliliğe karşı güçlü bir alternatif olarak elektrikli araçlar (EA) ortaya çıkmıştır. Sessiz, çevreci ve ekonomik özellikleri sayesinde günümüzde giderek artan bir ilgi görmektedir. Her ne kadar elektrikle tahrik sistemleri araç teknolojisinin ilk çalışılan alanlarından biri olsa da, batarya kapasitelerinin yetersizliği ve içten yanmalı motorların hızlı gelişimi, elektrikli araçların uzun yıllar boyunca geri planda kalmasına neden olmuştur. Fosil yakıtların azalması ve yanma ürünlerinin atmosferde birikerek ozon tabakasına zarar vermesi ile oluşan sera etkisi, elektrikli araçlara olan ilgiyi yeniden artırmıştır. Günümüzde elektrikli araçlar; tam elektrikli, hibrit ve yakıt pilli olmak üzere üç ana grupta üretilmektedir. Tam elektrikli araçlar yalnızca elektrik motoru ile çalışmakta ve enerjilerini bataryalardan sağlamaktadır. Hibrit araçlar, elektrik motoruna ek olarak içten yanmalı motorları da kullanabilmekte, yakıt pilli araçlar ise hidrojen depolama sistemlerinden elde edilen enerjiyi elektrik motorlarına aktarmaktadır. Elektrikli araçların gelişiminde en kritik bileşenlerden biri lityum iyon piller (LİP) olmuştur. Lityum iyon piller yüksek enerji yoğunluğu, uzun ömür ve hızlı şarj gibi avantajlar sunarak elektrikli araçların menzil, performans ve kullanım kolaylığını artırmıştır. Bu pillerde anot genellikle grafit, katot ise metal oksitlerden oluşmakta, elektrolit olarak ise iyon iletken karbonat bazlı sıvılar kullanılmaktadır. Lityum iyon pillerin birçok kimyasal varyasyonu bulunmaktadır; Lityum Kobalt Oksit (LCO), Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (NMC), Lityum Nikel Kobalt Alüminyum Oksit (NCA), Lityum Demir Fosfat (LFP), Lityum Titanat Oksit (LTO), Lityum Sülfür Dioksit (Li-SO2) ve Lityum Manganez Dioksit (Li-MnO2) gibi farklı tipler, enerji yoğunluğu, güvenlik, maliyet ve döngü ömrü açısından farklı özellikler sunmaktadır. Örneğin, NMC ve NCA yüksek enerji yoğunluğu ile öne çıkarken, LFP güvenlik ve dayanıklılık açısından daha avantajlıdır. LTO ise düşük sıcaklıklarda bile yüksek güvenilirlik ve uzun döngü ömrü sağlarken, Li-SO2 yüksek teorik enerji yoğunluğuna sahip olmasına rağmen henüz teknik kısıtlamalar nedeniyle yaygınlaşmamıştır. Li-MnO2 ise güvenlik ile makul ömür arasında denge sağlasa da günümüzde daha gelişmiş kimyaların gerisinde kalmıştır. Tüm bu gelişmeler, elektrikli araçların performansını ve güvenilirliğini artırmakta, gelecekte sürdürülebilir ulaşımın dönüşümünde lityum iyon pil teknolojisinin kilit bir rol üstleneceğini göstermektedir. Elektrikli araçlar ve LİP ile ilişkili yangınların sıklığı, risk unsurları, yangın davranışları ve çeşitli söndürme yöntemlerinin etkinlikleri, kapsamlı ve disiplinler arası bir çerçevede ele alınmaktadır. Küresel veriler, tam elektrikli ve hibrit araçlarda bildirilen yangın oranlarının, içten yanmalı motorlu araçlara kıyasla daha düşük seviyelerde olduğunu ortaya koysa da; bu durum, elektrikli araçların küresel araç filosundaki sınırlı pazar payından kaynaklanmakta ve mutlak risk değerlendirmelerinde yanıltıcı sonuçlar doğurabilmektedir. Araç parkının kompozisyonundaki değişim ve elektrikli araç kullanımının hızla artmasıyla birlikte, mutlak olay sayılarının yükselmesi beklenmekte; bu durum yangın riskinin özellikle kentsel alanlar, uzun mesafe taşımacılığı, lojistik operasyonlar ve toplu taşıma filolarında daha görünür hâle gelmesine neden olmaktadır. İtfaiye raporları, elektrikli araç yangınlarının söndürülmesinden günler veya haftalar sonra bile yeniden alevlenebildiğini göstermekte; ayrıca bu yangınları kontrol altına almak için gereken su miktarının, içten yanmalı araçlara kıyasla yaklaşık 40 kat daha fazla olduğu belirtilmektedir. Birleşik Krallık ve New York İtfaiyesi verileri, 2019-2024 döneminde batarya kaynaklı yangınlarda, yaralanma ve ölüm oranlarında istatistiksel olarak anlamlı artışlar yaşandığını ortaya koymakta; 2023 yılı hem yaralanma hem de ölüm sayıları açısından zirve yılı olarak öne çıkmaktadır. Açık deniz taşımacılığı, batarya üretim hatları ve geri dönüşüm tesislerinde meydana gelen olaylar, zincirleme yangın riski, toksik gaz yayılımı ve yüksek ekonomik kayıplar açısından kritik bir tehdit oluşturmaktadır. Lityum iyon piller; yüksek enerji içeriği, uzun ömrü, hızlı şarj/deşarj kapasitesi ve kompakt yapıları sayesinde taşınabilir enerji depolama teknolojilerinin temelini oluşturmaktadır. Ancak kimyasal bileşimleri gereği yüksek derecede reaktif ve yanıcı olmaları, bu pilleri yangın güvenliği açısından riskli kılmaktadır. Mekanik hasar, aşırı şarj, aşırı deşarj, imalat hataları veya harici ısı maruziyeti gibi faktörler, termal kontrol kaybı (TKK) sürecini tetikleyebilir. Bu süreçte katı elektrolit ara yüzeyi (SEI) tabakasının bozulması, ayırıcı erimesi ve iç kısa devre oluşumu zincirleme ekzotermik reaksiyonlara neden olur; sıcaklık artışı oksijen açığa çıkmasına yol açar ve pilin kendi oksijenini üretme kapasitesi, geleneksel "oksijen kesmeye dayalı" söndürme yöntemlerinin etkinliğini sınırlar. Ek olarak, hidrojen florür (HF) ve fosforil triflorür (POF3) gibi yüksek toksisiteye sahip gazların açığa çıkması, müdahale eden personel ve çevre için ek riskler oluşturur. Literatürdeki karşılaştırmalı çalışmalar, yangın söndürme ajanlarının etkinliklerinin birbirinden önemli ölçüde farklı olduğunu ortaya koymaktadır. ABC tipi kuru kimyasal tozlar, yeniden alevlenme riski taşımaları ve iletken kalıntı bırakmaları nedeniyle uygun değildir. Su sisi, TKK yayılımını geciktirme ve soğutma açısından avantajlı olsa da yüksek kapasiteli pillerde ve engelli ortamlarda sınırlı etkiye sahiptir; ayrıca bazı durumlarda toksik gaz salınımını artırabilir. Yüzey aktif madde katkıları, suyun yüzey gerilimini düşürerek söndürme performansını artırabilir. CO2, pilin kendi oksijen üretmesi nedeniyle düşük etkinlik gösterir. HFC-227ea ve C6F12O (NOVEC 1230), kapalı alanlarda erken uygulandığında etkili olabilir; ancak toksik gaz salınımını artırma riski taşır. Sıvı azot, yüksek soğutma kapasitesi sayesinde TKK'yi geciktirebilir veya önleyebilir; ancak depolama ve lojistik zorluklar uygulamayı sınırlar. Aerosol söndürücüler başlangıçta soğutma sağlasa da yeniden alevlenme problemini ortadan kaldıramaz ve korozif kalıntılar bırakabilir. Genel olarak, LİP yangınlarının karmaşık yanma mekanizmaları, yüksek yeniden alevlenme riski, toksik gaz salınımı ve operasyonel zorluklar, mevcut yangın söndürme tekniklerinin çoğunun tek başına yeterli olmadığını ortaya koymaktadır. Etkin müdahale için söndürücü seçiminin; araç türü, batarya kimyası, yangın senaryosu, çevresel koşullar ve operasyonel kısıtlar dikkate alınarak yapılması; aktif (soğutma sistemleri, yangın algılama, hızlı izolasyon) ve pasif (batarya muhafaza tasarımı, yangına dayanıklı malzemeler) güvenlik önlemlerinin entegre edilmesi gerekmektedir. Ayrıca, mevzuatın güncellenmesi, standart test protokollerinin oluşturulması, uluslararası iş birliği mekanizmalarının güçlendirilmesi ve sürekli eğitim programlarının yaygınlaştırılması, LİP yangın riskinin yönetilmesinde kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada, elektrikli araçlarda kullanılan 18650 tip Lityum Nikel Manganez Kobalt Oksit (NMC) lityum iyon pillerde meydana gelen yangın olaylarını incelemekte ve farklı yangın söndürücü ajanların kontrollü koşullar altında etkinliğini değerlendirmektedir. Lityum bazlı pil bileşenlerinde yer alan malzemelerin yanma özellikleri, bu tür yangınların söndürülmesini güçleştirmektedir. 18650 tip NMC pillerin yanma davranışları, özel olarak tasarlanmış güvenlik düzenekleri içerisinde aşırı ısınma yöntemiyle kontrollü şekilde tutuşturularak analiz edilmiştir. Test edilen yangın söndürücü ajanlar; Su, BIOVERSAL, NOVEC 1230 ve YVSS (yüksek viskoziteli sıvı madde) olarak belirlenmiş, deneyler iki aşamada yürütülmüştür. İlk aşamada tek pil hücresinin serbest yanma testi gerçekleştirilmiş, ikinci aşamada ise ısı kaynağının kesildiği ve sürekli ısı uygulandığı koşullar altında söndürme müdahaleleri yapılmıştır. Performans değerlendirmesinde yanma ve patlama sıcaklıkları, tutuşma gecikmesi ve ortam gaz bileşimindeki değişimler (O2, CO, CO2) dikkate alınmıştır. Isı kesme koşullarında BIOVERSAL yaklaşık 247,6 °C ile en yüksek termal direnci gösterirken, Su yaklaşık 82 saniyelik tutuşma gecikmesi ile öne çıkmıştır. Sürekli ısı uygulama koşullarında ise YVSS yaklaşık 247 °C ile en yüksek patlama sıcaklığına ve yaklaşık 75 saniyelik tutuşma gecikmesine ulaşarak en başarılı ajan olmuştur. Buna karşılık NOVEC 1230 en düşük bastırma verimliliğini sergilemiştir. Elde edilen bulgular, BIOVERSAL'ın ısı kesme koşullarında, YVSS'nin ise sürekli ısı maruziyetinde en verimli yangın söndürücü ajanlar olduğunu ortaya koymakta ve lityum iyon pil yangınlarının kontrol altına alınmasında söndürücü seçiminin uygulama senaryosuna bağlı olarak kritik öneme sahip olduğunu göstermektedir.