Geri Dön

Elektrikli araçlarda kullanılan batarya malzemelerinin kıyaslanarak söndürme tekniklerinin geliştirilmesi

Comparison of battery materials used in electric vehicles and development of fi̇re suppression techniques

PDF İndir

  1. Tez No: 1013110
  2. Yazar: FATİH ŞAKUÇ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN SERHAD SOYHAN, DR. ZAFER KAHRAMAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Sakarya Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Yangın Güvenliği ve Yanma Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Elektrikli araçların (EA) hızla yaygınlaşmasıyla birlikte, temel güç kaynağı olan lityum-iyon (Li-iyon) bataryaların yangın güvenliği kritik bir mühendislik problemi haline gelmiştir. Yüksek enerji yoğunluğuna sahip bu bataryalar; iç kısa devre, aşırı şarj, yüksek sıcaklık veya mekanik hasar durumlarında durdurulması son derece güç olan“termal kaçak”(thermal runaway) reaksiyonlarına girmektedir. Bu reaksiyonlar, bataryanın kendi oksijenini üreterek şiddetli yangınlara ve patlamalara yol açmasına neden olmaktadır. Bu çalışma, farklı kimyasal yapılara sahip batarya türlerinin yangın davranışlarını karşılaştırmalı olarak incelemeyi ve bu yangınlara karşı en etkili söndürme tekniklerini geliştirmeyi amaçlamaktadır. Çalışmanın deneysel aşamasında, güncel elektrikli araç pazarında en sık tercih edilen Nikel Mangan Kobalt (NMC), Lityum Demir Fosfat (LFP) ve Lityum Kobalt Oksit (LCO) batarya tipleri üzerinde gerçek dünya senaryolarını yansıtan kontrollü yangın testleri gerçekleştirilmiştir. Modüller özel fırınlarda dışarıdan ısıl yüke maruz bırakılarak; ilk tutuşma süresi, zehirli gaz çıkışı (off-gassing), termal kaçağa giriş ve tepe sıcaklık değerleri termal kameralarla anlık olarak kaydedilmiştir. Söndürme performansı deneylerinde standart su, kuru kimyevi toz, köpük ve temiz gazların yanı sıra; lityum yangınlarına özel inorganik tabanlı söndürme sıvıları ve yangın izolasyon battaniyeleri test edilmiştir. Her bir ajanın alevi bastırma, ısıyı absorbe etme ve saatler sonra bile görülebilen yeniden alevlenme (re-ignition) riskini önleme kapasiteleri detaylıca değerlendirilmiştir. Elde edilen veriler, batarya kimyasının yangın karakteristiğini doğrudan belirlediğini ortaya koymuştur. Olivin kristal yapılı LFP bataryaların termal olarak daha stabil olduğu, termal kaçağa geç direnç gösterdiği ve yeniden alevlenme eğiliminin minimumda kaldığı saptanmıştır. Buna karşın, menzil odaklı NMC bataryaların termal kaçağa karşı çok hassas olduğu, şiddetli jet alevleri ürettiği ve yeniden tutuşma riskinin çok yüksek olduğu belirlenmiştir. Söndürme ajanları incelendiğinde; suyun hızlı yüzeysel soğutma sağlasa da hücre içi ekzotermik reaksiyonları durdurmakta yetersiz kaldığı görülmüştür. Geleneksel boğucu ajanlar (köpük, toz) ise batarya yangınlarında etkisiz kalmıştır. Ancak, termal kaçak öncesi uygulanan özel inorganik tabanlı sıvıların, hücre etrafında camsı bir bariyer oluşturarak reaksiyon zincirini kırdığı ve sıcaklığı hızla güvenli seviyelere düşürdüğü kanıtlanmıştır. Sonuç olarak bu araştırma, lityum-iyon batarya yangınlarında sadece su uygulamasının yeterli olmadığını; özel soğutucu ajanlar ve fiziksel izolasyonu içeren hibrit müdahale yöntemlerinin zorunlu olduğunu göstermektedir. Bu bulgular, yeni nesil yangın güvenlik standartlarının oluşturulmasına önemli bilimsel katkılar sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

The global transition toward sustainable transportation systems has accelerated significantly over the past decade, driven by increasing environmental concerns, regulatory pressures, and advancements in energy storage technologies. Electric vehicles (EVs) have emerged as one of the most promising solutions for reducing greenhouse gas emissions and dependence on fossil fuels. At the core of EV technology lies the lithium-ion (Li-ion) battery, which provides high energy density, long cycle life, and efficient performance. However, despite these advantages, Li-ion batteries introduce complex safety challenges, particularly in relation to fire hazards. One of the most critical risks associated with Li-ion batteries is thermal runaway, a self-accelerating exothermic reaction triggered by internal or external factors such as overcharging, short circuits, mechanical damage, or elevated temperatures. Once initiated, thermal runaway can lead to rapid temperature increases, release of flammable gases, fire propagation, and even explosions. These risks are significantly different from conventional internal combustion engine vehicle fires, requiring specialized understanding and intervention strategies. This study aims to provide a comprehensive evaluation of battery materials used in electric vehicles and to develop improved fire suppression techniques. The research focuses primarily on widely used lithium-ion battery chemistries, including Nickel Manganese Cobalt (NMC), Lithium Iron Phosphate (LFP), Lithium Cobalt Oxide (LCO), and Nickel Cobalt Aluminum (NCA). Each battery type is analyzed in terms of energy density, thermal stability, combustion characteristics, and fire risk behavior. The methodological approach of the study combines an extensive literature review with controlled experimental analysis. Initially, the fundamental structure and operation of Li-ion batteries are examined, including key components such as the anode, cathode, electrolyte, and separator. The electrochemical processes governing charge and discharge cycles are analyzed, along with the mechanisms that lead to failure conditions. Special emphasis is placed on thermal runaway mechanisms, including heat generation, oxygen release from cathode materials, and chain reactions within battery cells. Experimental studies were conducted to simulate real-world fire scenarios involving EV batteries. During these tests, multiple parameters were monitored, including ignition delay, peak temperature, rate of heat release, gas emissions, flame intensity, and re-ignition potential. These parameters provide critical insights into the fire dynamics of different battery chemistries. The experiments also evaluated the effectiveness of various fire suppression agents, including water, foam, dry chemical powder, clean agents, and specialized lithium-ion fire extinguishing solutions. The results of the study demonstrate that battery chemistry plays a crucial role in determining fire behavior. LFP batteries, characterized by their olivine crystal structure, exhibit superior thermal stability and significantly lower fire propagation rates. The strong phosphate bonds in LFP cells prevent rapid oxygen release, reducing the intensity of combustion and minimizing the risk of re-ignition. In contrast, NMC and NCA batteries, which are designed to provide higher energy density, show increased susceptibility to thermal runaway. High-nickel content in these batteries contributes to higher energy output but also increases the risk of rapid heat generation and fire escalation. LCO batteries, although widely used in portable electronic devices, demonstrate relatively poor thermal stability compared to other chemistries and are therefore less suitable for large-scale EV applications. The study confirms that while high energy density is a desirable feature, it often comes at the cost of reduced safety margins. In terms of fire suppression performance, water-based extinguishing methods were found to be highly effective for initial cooling due to their high specific heat capacity. Rapid cooling plays a critical role in slowing down or stopping thermal runaway progression. However, the study also reveals that water alone may not be sufficient to prevent re-ignition, especially in high-capacity battery systems where internal heat retention remains significant. Dry chemical powders were effective in suppressing visible flames quickly, but their lack of cooling capability limits their effectiveness in battery fires. Foam-based agents showed moderate success, particularly in controlling surface-level fires and preventing oxygen interaction. Clean agents, although widely used in enclosed environments, were found to have limited effectiveness due to their inability to penetrate battery cells. Specialized lithium-ion fire extinguishing agents demonstrated the highest overall effectiveness. These agents combine cooling properties with chemical inhibition mechanisms, allowing them to both suppress flames and prevent re-ignition. The study highlights that successful fire suppression in EV battery incidents requires a combination of rapid cooling, continuous monitoring, and long-duration intervention strategies. In addition to fire suppression techniques, the study emphasizes the importance of preventive measures in battery design. Advanced Battery Management Systems (BMS) play a critical role in monitoring temperature, voltage, and current, helping to prevent conditions that may trigger thermal runaway. Improved thermal insulation, optimized cell configurations, and the use of safer materials such as lithium titanate anodes and non-flammable electrolytes can further enhance battery safety. The research also considers emerging battery technologies, including solid-state batteries and sodium-ion systems, which offer potential improvements in safety due to their non-flammable or more stable chemical structures. These technologies are expected to play a significant role in the future of EV safety. From an operational perspective, the findings of this study provide important recommendations for firefighting and emergency response teams. Continuous cooling of the battery pack, extended monitoring for delayed re-ignition, and maintaining safe operational distances are essential procedures. The use of advanced tools such as thermal imaging cameras and high-voltage detection devices is strongly recommended to ensure responder safety. In conclusion, this study provides a comprehensive analysis of lithium-ion battery fire behavior and suppression techniques in electric vehicles. The findings contribute to the development of improved fire safety protocols, enhanced battery designs, and more effective emergency response strategies. As the adoption of electric vehicles continues to increase worldwide, addressing battery fire risks will be essential to ensure both public safety and the sustainability of modern transportation systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    800442

    Lityum iyon batarya paketi tasarımı ve termal kaçak simülasyonu

    Lithium-ion battery pack design and thermal propogation simulation

    ESER BERK YILMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ

  2. Tez No

    894319

    Investigation of thermal propagation in electric vehicle high voltage batteries

    Elektrikli araç yüksek gerilim bataryalarında ısıl yayılım araştırması

    KADİR ARAS

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN YAVUZ

  3. Tez No

    988286

    Tam elektrikli araçlarda pil yangınları ve etkin söndürme sistemlerinin incelenmesi

    An investigation of battery fires in fully electric vehicles and effective suppression systems

    ONUR MAMMACIOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Mühendislik BilimleriSakarya Üniversitesi

    Yangın ve Yangın Güvenliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÖKHAN COŞKUN

  4. Tez No

    988294

    Hibrit araçlarda meydana gelen yangınlar ve etkili söndürme sistemlerinin incelenmesi

    An investigation into fires in hybrid vehicles and the assessment of effective fire suppression systems

    CEMİL ÖZKALAY

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Mühendislik BilimleriSakarya Üniversitesi

    Yangın ve Yangın Güvenliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HAKAN SERHAD SOYHAN

  5. Tez No

    742948

    Synthesis and characterization of high nickel content cathode materials for high performance and capacity reach in li-ion batteries

    Li-ion pillerde yüksek performans ve kapasite erişimi için yüksek nikel içerikli katot malzemelerinin sentezi ve karakterizasyonu.

    TURGUT UĞUR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Enerjiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ENGİN KARABUDAK

Geri Dön