全尺寸电动汽车火灾消防废水的与电池类型相关的污染物指纹及细胞毒性

《Journal of Hazardous Materials》：Battery-type-associated pollutant fingerprints and cytotoxicity of firefighting wastewater from full-scale electric vehicle fires

　　

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  全尺寸 NMC 和 LFP 电动汽车火灾测试首次揭示了消防废水中截然不同的化学指纹。
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  NMC 径流表现出 Mn/Ni 到 Al/Cu 的多阶段演变；LFP 径流显示 Zn 的渐进富集（高达 84%）。
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  NMC 径流含有显著较高的电池来源离子负荷，早期阶段 Li⁺ 达到 4.26–4.59 mg·L^?1。
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  LFP 托盘残留废水降低了人神经母细胞瘤的活力，突显了特定化学成分的毒理学特征。
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  残留冷却水应作为高风险火灾后废水流进行管理，而非常规消防径流。

引言

电动汽车（EVs）的快速增长正在重塑道路运输领域 [1], [2], [3]。与传统的内燃机汽车（ICEV）火灾不同，电动汽车火灾涉及包含电化学活性材料、有机电解液、含氟盐和复杂聚合材料的锂离子电池系统 [4]。在热失控（TR）及随后的燃烧过程中，这些材料可能发生耦合的热解和氧化反应，产生可能转移到消防水中的有毒化合物 [5]。美国联邦应急管理署（FEMA）于 2025 年 7 月发布了《电动汽车火灾/救援响应操作指南》[6]，指出扑灭典型汽车火灾仅需 300 至 1,000 加仑水。然而，由于电池热失控，电动汽车火灾在得到控制前需要超过 36,000 加仑水 [7]。此外，最近的《电动汽车应急操作最佳实践》指出，与内燃机汽车火灾相比，电动汽车火灾需要十倍的水量进行冷却或扑灭 [8]。因此，用于灭火的大量用水可能成为化学成分复杂的废物流，而非普通的汽车火灾径流 [9], [10]。

电动汽车消防废水的危害可能取决于所涉及的电池系统。镍锰钴（NMC）和磷酸铁锂（LFP）电池是两种主导的电动汽车电池类型，但它们在正极成分、热失控行为以及潜在污染物释放途径方面存在显著差异。NMC 正极含有 Ni、Co 和 Mn，而 LFP 正极主要由磷酸铁锂（LiFePO₄）组成 [11]。这两种类型通常都使用溶解在有机碳酸盐溶剂（例如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）和碳酸二甲酯（DMC））中的 LiPF₆ 基电解液，在热失控过程中，这些溶剂可能与电极材料、粘结剂和固体电解质界面组分一起分解 [12], [13]。这些差异可能会影响灭火过程中污染物的释放、溶解和转化。

最近的电动汽车火灾研究主要集中在热失控机制 [12], [14]、火灾动力学 [15], [16]、气态排放 [17], [18], [19] 以及灭火性能 [9], [20]。现有研究表明，在滥用条件下，电动汽车火灾可在几分钟内产生超过安全阈值的烟浓度 [16], [21]，在封闭空间内峰值温度接近 1,000 ℃ [22]，以及在半封闭环境中点火间隔缩短 [23]。与内燃机汽车火灾相比，电动汽车火灾在燃烧强度和有毒副产物释放方面可能存在显著差异，据报道氟化物颗粒物浓度高出约五倍 [21], [24]。水基灭火策略，包括洒水、水雾、淹没冷却和浸没冷却方法 [25], [26]，可以降低火灾温度，改善电池冷却，抑制热失控传播 [27]，并缓解温度反弹或复燃 [28]。这些水基策略会产生大量消防废水，然而现有研究主要涉及热危害、气态排放和灭火效率，而消防水与燃烧后的电池及车辆材料相互作用产生的液相污染表征仍显不足。

现有证据表明，电动汽车和锂离子电池（LIB）火灾产生的消防径流和残留液体可能含有多种类别的危险成分，包括持久性有机污染物、过渡金属、氟化物、多环芳烃（PAHs）、有机碳酸盐和腐蚀性浸出物。据报道，电动汽车消防废水中全氟和多氟烷基物质（PFAS）浓度高达 196 ng·L^?1 [29]，而电池组火灾残留液体中的过渡金属如 Ni、Co 和 Mn 的水平远超环境指导值 [30]。锂离子电池火灾径流也被报道含有 PAHs 和有机碳酸盐，其中 Co 浓度高达预测无影响浓度（PNEC）的 2,500 倍 [31]。无机离子和金属是另一个主要关注点，因为火灾后径流中的氟化物浓度可达 6 mg·L^?1，而 Al、Cu、Mn 和 Ni 可能超过淡水阈值 [32]。此外，浸没式灭火可能导致快速终端腐蚀并产生有毒残留液体 [33]。现有研究大多分析了混合火灾后样本，使得灭火过程中污染物的特定阶段演变仍未解决 [34]。风险评估也主要基于常规理化指标，关于细胞毒性证据有限。关于两种主流电动汽车电池类型 NMC 和 LFP 的消防废水污染物指纹、残留颗粒和细胞毒性的对比数据仍很稀缺 [35], [36]。虽然 PFAS、PAHs 和碳酸盐溶剂被认为是电动汽车火灾废水的潜在成分，但本研究关注无机和颗粒相危害，有机污染物则进行定性讨论。

本研究全面表征了过充触发的全尺寸电动汽车火灾测试中产生的消防废水。首先，设计并构建了一个顺序采集和储存系统，以处理高温和高腐蚀性条件下的废水。利用该系统，分别对配备 NMC 和 LFP 电池的电动汽车进行了火灾测试。根据消防时间线在不同时间点采集废水样本：初期喷洒、持续灭火和残留火灾冷却。通过对特定阶段废水样本的系统分析，包括 pH 值、电导率、总溶解固体（TDS）、氧化还原电位（ORP）和表面张力，以及重金属、氯离子和氟离子的浓度，建立了污染物的时空变化模式及其与热失控过程的关联。此外，采用人胚肺细胞（MRC-5）、人神经母细胞瘤细胞系（SH-SY5Y）和单核巨噬细胞白血病细胞系（RAW264.7）进行体外细胞毒性测试，以比较电动汽车消防废水潜在的卫生危害。与大多数先前研究不同，本工作是在全车辆规模下进行的，具有阶段解析采样，并直接对比了 NMC 和 LFP 电池化学体系。这种设计使得能够将废水污染的时空演变与细胞水平毒性联系起来，从而为差异化风险评估模型和应急响应提供科学证据。

章节摘要

测试车辆规格与热失控引发

全尺寸火灾测试中使用了由 NMC 和 LFP 锂离子电池组驱动的两辆电动汽车。车辆和电池参数总结于表 1 中。两辆车和电池均为全新未使用，由同一制造商于 2023 年制造，并从可比车辆类别中选择，以提高两种电池系统之间的可比性。出于安全原因，测试前对车辆进行了改装，包括刺破轮胎、禁用减震器和悬挂系统，以及

电动汽车火灾的场景与特征

火灾场景是通过温度测量和视觉观察来表征的。由于热失控是由恒流过充诱导的，这将电芯驱动远超其标称满电状态。在过充滥用下，失效是由渐进的锂析出、电解液氧化和内部短路控制的，因此初始荷电状态（SOC）的小差异相对于过充能量输入可以忽略不计。图 3(a) 和 3(b) 展示了温度曲线

结论

本研究调查了涉及 NMC 和 LFP 电池系统的全尺寸电动汽车火灾产生的消防废水中的污染物演变和细胞毒性。开发了一套时间解析采样系统，用于采集消防径流废水、托盘残留废水和残留污泥颗粒，并使用水相理化分析、单颗粒气溶胶质谱仪（SPAMS）和体外细胞毒性测定对其进行表征。

与电池类型相关的

CRediT 作者贡献声明

Yudie Jianyao（雨迪 简耀）：可视化，软件。 Xin Zheng（郑鑫）：项目管理。 Yang Yu（于洋）：调查，数据整理。 Jiale Zhang（张嘉乐）：调查，数据整理。 Yuheng Cheng（程宇恒）：方法论，数据整理。 Qi Zhang（张琪）：验证，方法论，数据整理。 Yijia He（何亦佳）：调查，数据整理。 Huifeng Li（李慧峰）：调查，数据整理。 Hongyong Yuan（袁洪永）：监督，项目管理。 Guofeng Su（苏国峰）：监督，项目管理。 Xiaole Zhang（张晓乐）：写作 – 审查与编辑，写作 – 初稿，

利益冲突声明

作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能已被认为影响了本文报告的工作。

致谢

本研究部分由中国国家自然科学基金（批准号 72474116、No. 72521001 和 No. 72442008）、中国辐射防护研究院辐射防护实验室开放基金（No. ZFYHHJMN-2023001）以及优秀青年科学家基金项目（海外）支持。

利益冲突

作者声明他们不存在利益冲突。

重要性声明

电动汽车火灾是一个新兴的环境问题，然而用于

董强|王战|张琪|程宇恒|李慧峰|何亦佳|郑鑫|雨迪 简耀|张嘉乐|于洋|苏国峰|袁洪永|张晓乐