电动汽车锂离子电池火灾废水的长期浸出动力学与生态毒性

《Water Research》：Long-term leaching dynamics and ecotoxicity of wastewater from electric vehicle lithium-ion battery fires

　　

摘要 电动汽车的全球采用增加了锂离子电池（LIB）火灾的频率，这类火灾通常通过大规模水灭火和浸泡来处理。虽然即时火灾行为已有充分记录，但由此产生的废水的长期环境影响仍知之甚少。本研究评估了镍锰钴（NMC）车用电池在三种不同点火情景下（短路、伴随重度火灾的机械击穿、无可见火焰的热应力）的 112 天污染物浸出时间动态。理化分析显示，在本案例研究中，损坏最严重的模块表现出最高的污染物负荷。遭受最广泛物理损坏的模块显示出最高的电导率（23.1 mS/cm）、高锂含量（1.54 g/L）和升高的氟化物水平（218 mg/L），比典型监管限值高出几个数量级。使用大型溞、浮萍和费氏弧菌进行的生态毒性评估表明存在严重的急性和慢性毒性，大型溞的 EC50 值达到 0.05%。即使是未点燃的、排气模块也释放了显著的有机污染物并表现出高微生物毒性。这些发现表明，锂离子电池消防径流会产生一种随时间成熟的高度有害废水。专门的现场围堵和预处理对于防止这些有毒元素突破进入城市污水系统和更广泛的水生环境至关重要。

引言 锂离子电池（LIB）已成为实现全球向可持续交通转变和交通部门脱碳的核心技术。随着世界面临气候变化的紧迫挑战，由 LIB 驱动的电动汽车（EVs）代表了减少交通部门温室气体排放的关键途径，该部门占全球二氧化碳排放量的很大一部分（Bisschop et al., 2020; Sun et al., 2020）。锂离子电池技术卓越的能量密度、下降的生产成本和改善的性能特征使这些电池成为现代电动汽车的主导能源存储解决方案（Lai et al., 2022; Shahid and Agelin-Chaab, 2022）。这种技术进步，加上日益严格的环境法规和政府激励措施，催化了全球电动汽车前所未有的增长，从根本上重塑了汽车产业，并为国际气候承诺提供了进步（Muratori et al., 2021; Sanguesa et al., 2021）。

在经历了持续增长的时期后，2023 年电动汽车销量近 1400 万辆（IEA, 2024），2024 年估计为 1700 万辆（IEA, 2025），全球电动汽车市场预计将继续强劲扩张，预计 2025 年全球销量将超过 2000 万辆（IEA, 2025）。这一轨迹意味着电动汽车将占全球新车销量的四分之一左右（约 25%）（Zaino et al., 2024），增长主要由中国市场深化驱动，预计中国渗透率将超过 50%，以及欧洲政策驱动的反弹（IEA, 2025）。

这种电池需求规模的扩大超出了交通领域；全球固定式储能系统（ESS）正在以可比的步伐扩张，以稳定依赖可再生能源的电网（Meraner et al., 2026）。当这些大型固定式安装设施发生热故障时，由于单一地点聚集的电池数量巨大，它们呈现出类似甚至放大的灭火挑战。这种加速的采用进一步得到预测的证实，即 2025 年全球电动汽车电池需求将超过 1 TWh 大关（IEA, 2025），巩固了该行业向大众市场电气化稳步迈进的态势。

尽管锂离子电池具有环境效益（Alum et al., 2026; Sanguesa et al., 2021）、技术优势（Hammed et al., 2025; Kulkarni et al., 2026）和降低的生产成本（Gouveia et al., 2026），但随着部署规模的扩大，它们带来了显著的安全挑战。使 LIB 在汽车应用中具有吸引力的高能量密度同时创造了热失控的固有风险，这是一种自我加速的放热反应，可能导致灾难性的电池故障（Jiaqiang et al., 2024）。热失控可由多种机制触发，包括车辆碰撞或穿透造成的机械损坏、内部短路或污染等制造缺陷、过充电或外部短路等电气滥用条件，以及暴露于高温环境或冷却不当造成的热应力（Lu et al., 2013; Ping et al., 2015; Wang et al., 2012）。此外，即使在未发生完全热失控事件的情况下，过热的电池单元也可能排出有毒和可燃气体，包括五氟化磷、氟氧化磷和氟化氢（Larsson et al., 2014; Larsson et al., 2017）。

虽然现代电动汽车在性能上与内燃机车辆相当，但在灭火后勤和应急响应方面代表了根本性的转变。尽管存在重大的操作挑战，目前针对 LIB 火灾的应急响应方案已趋同于基于水的灭火作为主要干预策略。水浸泡或连续水应用具有多种功能：将电池组冷却至热失控传播阈值以下，吸收放热反应的热量，并防止复燃，由于损坏单元内储存的化学能，复燃仍然是一个持续存在的担忧（Mao et al., 2024）。大规模实验研究表明，有效抑制电动汽车电池火灾需要大量的水，建议用水量范围从 11,000 到 40,000 升，具体取决于电池大小和火灾严重程度，并需持续较长时间，通常超过数小时（Cui et al., 2022; Li et al., 2020）。必须连续应用水或电池必须完全淹没 24 小时或更长时间，以确保完全冷却并防止复燃，因为即使明显熄灭后，损坏的单元也可能自发重新进入热失控（Cui et al., 2022）。传统方法，如泡沫应用，已被证明 largely 无效，通常需要物理拆解电池外壳才能到达火源（Lazarenko et al., 2019; Shen et al., 2024）。虽然现有文献提供了大量关于电动汽车火灾行为和气态排放的数据（Hynynen et al., 2023; Lecocq et al., 2012; Sturm et al., 2022），但在这些事件期间产生的废水方面仍然缺乏直接关注。

依赖大量水灭火来处理 LIB 火灾，为电动出行的安全挑战引入了一个关键但尚未充分探索的环境维度。当水接触燃烧或热损坏的电池单元时，它会促进有害物质从受损电池组件中浸出到水相中，产生受污染的径流，对土壤、地下水和地表水生态系统构成重大风险。Jalali 等人（2026）最近进行的大规模试验表明，这种径流可能含有溶解金属、氟化化合物以及源自电池制造中使用的锂盐（如 LiPF6、LiClO4 或 LiBF4）的有机污染物（Jalali et al., 2026; Nitta et al., 2015; Rensmo, 2022; Xu, 2014）。Quant 等人（2023）的研究将电动汽车灭火水与传统燃料车辆的无机和有机污染物水平进行了比较，测试了费氏弧菌、伪克氏拟小球藻和大型溞的急性毒性。虽然前两种生物表现出高敏感性，但径流对大型溞仅显示出中等毒性。关键在于，该研究分析的是灭火后立即收集的水，没有长期浸泡的变量。

在本论文中，研究了锂离子电池车用电池火灾灭火水的化学特性和生态毒性。有研究涉及电动汽车火灾测试（Hynynen et al., 2023; Lecocq et al., 2012; Sturm et al., 2022），然而，这些研究侧重于气体排放，而不是燃烧产生的废水。据我们所知，这是第一篇处理电动汽车电池长期浸没在水中影响的文章。本文探讨了延长浸泡期间污染物浸出的时间动态、电池火灾事件中的累积环境负担以及电池衍生污染物在水生环境中的生态效应。

片段 大规模电池火灾与浸泡实验
三个锂离子电池车用电池（描述见表 1）被完全充电随后点燃。A 模块通过短路点燃，B 模块通过反复机械穿透点燃，期间监督的消防员用斧头击打模块三次以破裂它，最后，C 模块通过热板加热然后被反复刺穿。A 模块和 B 模块发生可见火灾，B 模块甚至爆炸了数次，而 C 模块未能点燃，仅有白烟。

结果 由于 A 模块的电池通过短路点燃，它没有完全损坏，不像 B 模块的电池，需要反复穿透才能完全点燃，导致严重损坏。C 模块被部分破坏。点火类型和电池类型的后续破坏在最终电池状况中起到了关键作用（图 1）。模块的破坏程度可以排序为：A 模块（几乎未触及，轻微燃烧），C 模块（轻微燃烧在...

电池破坏程度对废水组成和污染物负荷的影响 虽然静态的 112 天浸泡制度与活跃灭火阶段即时、高流量的操作阶段有很大不同，但这些实验条件高度代表了现实世界的事故后物流。根据当前的应急方案，严重损坏或燃烧的电动汽车可能被运送到废料场、开放围堵区或专门的隔离区，在那里它们可能被暴露在降水中或故意淹没在滞留池中。

结论 本研究表明，锂离子电池（LIB）火灾灭火的环境影响是电动出行的一个关键但被忽视的缺点。我们的 112 天浸泡实验揭示，电池破坏的严重程度直接决定污染物负荷，完全受损的模块产生的废水电导率水平（23.1 mS/cm）与垃圾填埋渗滤液相当。

关键发现表明，锂和氟化物浓度可分别达到 1.54 g/L 和 218.2 mg/L。

CRediT 作者贡献声明
Lucie Pokorna-Krayzelova: 写作 - 初稿，项目 administration，方法论，调查，数据整理，概念化。Hana Kujalova: 写作 - 审查与编辑，调查，数据整理。Lucia Tajnaiova: 数据整理。Klara Anna Mocova: 数据整理。Martina Martinková: 数据整理。Jana Kofronová: 数据整理。Radek Vurm: 数据整理。Jakub Pilar: 数据整理。Krystof Rehak: 数据整理。Barbora Stepanova: 写作 - 审查与编辑。Petra Najmanova: 写作

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能被认为影响了本论文中报告的工作。

致谢
本贡献是在捷克共和国内政部项目的特别支持下创建的，项目编号 VB02000068“FiLiB - 保护人口和应急响应单位免受锂离子电池火灾排放的影响”，在捷克共和国安全研究计划，新安全技术的开发、测试和评估（SECTECH）的框架内。

Lucie Pokorna-Krayzelova|Hana Kujalova|Lucia Tajnaiova|Klara Anna Mocova|Martina Martinková|Jana Kofronová|Radek Vurm|Jakub Pilar|Krystof Rehak|Barbora Stepanova|Petra Najmanova|Jan Karl|Romana Friedrichova|Marek Martinec|Jan Bindzar
水技术与环境工程系，布拉格化工大学，捷克共和国，Technicka 5, 166 28 布拉格 6