Почему взрываются аккумуляторы

Пользователи смартфонов и планшетов конечно знают о проблеме взрывоопасности литиевых аккумуляторов своих гаджетов. И за яркими примерами далеко ходить не приходится. Недавно, например, компания Самсунг столкнулась с наболевшей проблемой лично, и была вынуждена отозвать первую серию нового Note 7, поскольку аккумуляторы взрывались прямо в процессе зарядки. Так или иначе, проблема остается таковой с начала появления сотовых телефонов, ИКАО даже в 2016 году запретила к перевозке в грузовых отсеках гражданского транспорта коммерческие партии литиевых аккумуляторов.

Суть проблемы с литиевыми аккумуляторами

Дело в том, что в процессе заряда литиевого аккумулятора в мобильном устройстве, при помощи встроенного в аккумулятор микроконтроллера реализуется довольно сложный алгоритм осуществления этого процесса, чтобы температура батареи не выходила бы за пределы приемлемого температурного диапазона. Контроллер отслеживает для этой цели многие параметры батареи в процессе ее зарядки.

Кроме непосредственно процесса зарядки, хранение аккумулятора тоже требует соблюдения некоторых правил, особенно касательно температуры: нельзя ни перегревать, ни переохлаждать аккумулятор.

Основная проблема, приводящая к взрыву аккумуляторов — это чрезмерный разогрев электролита из-за превышения допустимой температуры или вследствие короткого замыкания внутри аккумуляторной ячейки. Цепная реакция легко инициируется внутри перегревшейся ячейки, ведь щелочной металл литий очень легко воспламеняется, вследствие чего батарея вздувается и в худшем случае — взрывается.

И даже несмотря на наличие «внимательного» контроллера, случайный заводской брак (недостаточная толщина изолятора между ячейками) может иметь место и привести к печальным последствиям.

Конечно опасны удары, пробои, проколы, перегрев на солнце. Даже если батарея упала и слегка ударилась, внутри может произойти нарушение изолятора, и в дальнейшем это возможно приведет к внезапной неприятности, даже без явного перегрева.

Причина взрывоопасности литиевых аккумуляторов

Анод и катод литий-ионного аккумулятора разделены сепаратором из пористого полимера. Катод имеет на себе активный материал, в качестве которого зачастую применяют оксиды переходных металлов, в которые встроены ионы лития. Анод, как правило, графитный. Органический раствор солей лития используется в качестве электролита.

При первой зарядке на заводе, литий встраивается в анод и на электродах образуется слой разложившегося электролита, который теперь служит защитой от лишних реакций, оставаясь при этом ион-проводящим.

Как отмечалось выше, внутреннее короткое замыкание — одна из основных причин самовозгорания аккумулятора. Причиной же самого короткого замыкания может стать физическое повреждение или заводской брак, типа неровной нарезки электродов или попадания металлических частиц между катодом и анодом, которые нарушают целостность слоя сепаратора.

Еще одна причина замыкания — прорастание цепочек металлического лития через сепаратор (если ионы лития еще на заводе не успели до конца встроиться в кристалл анода из-за чрезмерно быстрой зарядки или от переохлаждения, либо если емкость активного материала катода больше емкости анода, что приводит к отложениям на аноде, которые потом медленно, но неумолимо растут).

Так вот, если короткое замыкание произошло, то температура аккумулятора начинает подниматься, и при достижении 70-90°C начинается разложение защитного ион-проводящего слоя анода. Литий анода реагирует с электролитом, при этом выделяются горючие углеводороды, такие как этилен, метан, этан и т. д. Но до возгорания еще рано, ведь не хватает кислорода.

Между тем экзотермическая реакция идет и температура растет, давление внутри корпуса аккумулятора повышается. При 180-200°C начинается реакция диспропорционирования на катоде, где и выделяется кислород. Происходит воспламенение, температура резко повышается, а электролит термически разлагается, температура уже 200-300°C.

Наконец, наступает очередь графита, и с достижением температуры в 660°C начинает плавиться алюминий токоприемника. Максимальная температура во всем этом процессе обычно не успевает превысить 900°C, поскольку все быстро заканчивается полным разложением внутренних компонентов аккумулятора.

Уже есть успехи в поисках решения проблемы

Для решения проблемы производителям смартфонов можно ужесточить регулирование, сделать дополнительные предохранители в аппаратах и в аккумуляторах, усложнить контроллеры, однако это приведет к удорожанию аккумуляторов и всей продукции, в комплекте с которой аккумулятор продается. Компании конкурируют между собой, и просто экономически не могут пойти на это.

А тем временем за безопасность литиевых аккумуляторов борются физики из Стенфорда, которые еще летом 2015 года разработали специальный защитный механизм, встраиваемый в аккумулятор уже на стадии производства.

По сути речь идет о новом виде литиевых батарей, которые автоматически отключаются при достижении их внутренностями потенциально опасной температуры (что и предотвращает процесс, приводящий к последующему возгоранию), а через некоторое время, после остывания, автоматически включаются вновь.

Авторы разработки утверждают, что это первая литиевая батарея, которая сможет многократно отключаться и восстанавливаться без потери своих свойств и рабочих характеристик.

Разработка велась несколько лет коллективом из нескольких человек (в числе которых Чженань Бао), в итоге получилась батарея, лишенная двух главных недостатков — резкого снижения емкости аккумулятора после нескольких циклов перезаряда и, что более важно, склонности к возгораниям и взрывам из-за перегрева (цепная реакция автоматически останавливается).

Решение пришло к ученым совсем из другой области физики. Они делали термометры используя наночастицы никеля, встроенные в тонкий лист из графена и пластика. Это были необычные термометры. В покое частицы никеля друг с другом соприкасались, то есть получался хороший проводник тока. Но когда лист разогревался, пластик начинал немного расширяться, что приводило к ослаблению контакта между проводящими никелевыми частичками, и сопротивление всего проводника возрастало.

Вот это свойство и применили исследователи из Стенфорда для мгновенной автоматической защиты литиевых батарей и для полного автоматического восстановления контакта после остывания. Они приклеили лист такого пластика к одному из электродов батареи, чтобы он терял проводимость с ростом температуры. И когда температура достигает 70°C

Но несмотря на найденное решение, производители мобильных устройств все равно не решаются резко менять наработанную годами технологию производства своих аккумуляторов. Поэтому пользователям гаджетов придется еще на некоторое время смириться с наличием потенциальной опасности литиевых батарей, и стараться не ронять и не перегревать свои мобильные устройства, а тем более аккумуляторы. Возможно в скором будущем проблема будет полностью решена.

Источник

Почему взрываются литий ионные аккумуляторы?

Вероятность взрыва литиевого аккумулятора при использовании правильной BMS (платы управления АКБ) штатного зарядного устройства, отсутствии давления на элементы саму аккумуляторную батарею, должной герметизации и изоляции, минимальна или отсутствует вовсе.

Ушли прошлое времена, когда аккумуляторы производились преимущественным содержанием кадмия и имели низкий уровень взрывобезопасности. Почему же, вопреки максимальной безопасности современных АКБ, иногда происходят взрывы Li-Ion аккумуляторов?

Такие батареи включают в себя анод и катод. Их разделяет пористый сепаратор из полимера. В аноде зачастую применяется графит, катоде в роли активного вещества выступают оксиды переходных металлов интегрированными ионами лития. Электрохимическая ячейка заполняется электролитом. При начальной зарядке, выполняемой производителем, на аноде формируется защитный слой. Он состоит из разложившегося электролита и оберегает электроды от контакта с электролитом. Наиболее распространенной причиной взрыва литиевого аккумулятора считается короткое замыкание в электрохимической ячейке.

Почему взрываются литий ионные аккумуляторы?

Вызвать электрическое взаимодействие катода с анодом способны разные факторы, к примеру:

1. Физическое повреждение ячейки.
2. Нарушение производственной технологии – попадание частиц металла между катодом и анодом, дефектная нарезка электродов (в результате повреждается пористый сепаратор).

1. «Прорастание » через сепаратор дендритов лития. Происходит из-за низких температур и чрезмерно быстрой зарядки – когда ионы лития не успевают занять свои места в кристалле анода. Также может происходить из-за существенной разницы между емкостями анода и активного вещества катода.

Короткое замыкание приводит к нагреву аккумулятора, разложению ион-проводящего слоя на аноде (при 70–90 °С), реакции лития с электролитом, выделению летучих углеводородов. При нагреве до 180–200 °С материал катода вступает в реакцию диспропорционирования, выделяется кислород и начинается самовозгорание со стремительным ростом температуры. Далее взаимодействовать с электролитом начинает графит, а при нагреве до 660 °C расплавляется алюминиевый токоприемник.

Другие причины взрыва литий ионного аккумулятора

Кроме короткого замыкания в электрохимической ячейке, к самовозгоранию и взрыву литиевой аккумуляторной батареи способны привести:

• перегрев АКБ;
• зарядка на повышенных токах;
• превышение предельного значения напряжения;
• чрезмерно глубокая разрядка.

Все эти факторы провоцируют тепловой разгон и разложение электролита в процессе его реакции с электродами. Большинство современных производителей литий-ионных АКБ максимально снизили их взрывоопасность, используя многоступенчатые системы защиты. В этих целях успешно применяются предохранители, контроллеры, клапаны, изоляционные материалы, балансиры заряда, сенсоры.

Чтобы оградить себя от неприятных сюрпризов, приобретайте АКБ надежных производителей и соблюдайте правила эксплуатации. Прежде всего:

• не допускайте тепловых и механических воздействий на батарею;
• не подвергайте ее деформации, прокалыванию и другим воздействиям;
• не разбирайте;
• не используйте вздувшийся или потекший аккумулятор, отсоедините его от источника потребления и будьте осторожны, чтобы не закоротить контакты АКБ;
• используйте только оригинальные зарядные устройства.

Подробнее о том, как правильно пользоваться Li-Ion аккумулятором, читайте здесь.

Источник

Пожароопасность литиевых аккумуляторов

Статья обновлена: 2020-12-17

Литиевые аккумуляторы применяются во многих привычных нам гаджетах, которыми мы пользуемся ежедневно: автономная электроника, смартфоны, электрические инструменты с работой от аккумулятора, электрические транспортные средства, устройства-погрузчики. Часто именно этот тип аккумулятора подходит для конструкции больше всего, потому что у Li-ion оптимальное сочетание рабочих характеристик. Они выигрывают у батарей со свинцовыми, NiMH и NiCd аккумуляторами по удельной энергоемкости и ресурсу эксплуатации.

Эта статья будет посвящена не преимуществам литиевых АКБ, а их существенному слабому месту — пожароопасности. Проблему риска возгорания невозможно недооценить, потому что оно подвергает опасности не только само устройство, внутри которого находится батарея, но и человека и вещи рядом.

Мы разберем вопрос пожароопасности литиевых аккумуляторов и выделим главное:

• Есть ли разница между разными типами аккумуляторов с литием в контексте опасности возгорания? Насколько они подвержены рискам?
• Причины возгорания аккумуляторов.
• Техника безопасности. Какие меры нужно предпринять, чтобы обезопасить процесс эксплуатации?
• Пошаговая инструкция, как поступать в экстренной ситуации пожара в АКБ.

Есть ли разница между пожароопасностью аккумуляторов с разным типом устройства? Рассмотрим несколько самых распространенных:

• Li-ion (литий-ионные, один из наиболее распространенных типов);
• Li-pol (литий-полимерные);
• LTO (литий-титанатные);
• LiFePO4 (литий-железо-фосфатные).

Пожароопасность аккумуляторов Li-ion

Шире всего используются именно литий-ионные АКБ. Их особенностью является большая энергоемкость до 280 Вт*ч/кг. Зачастую такие аккумуляторы представляют собой цилиндрические ячейки, типоразмеры варьируются: 18650, 21700, 32650. В производстве они применяются для сборки аккумуляторных батарей к электрокарам, электровелосипедам и другому транспорту, а также к электроинструментам с автономным питанием.

Значения минимального напряжения: 2,5-2,75 Вольт; максимального — 4,2 -4,35 Вольт.

Различаются Li-ion аккумуляторы по используемым в них химическим элементам:

ICR — это маркировка кобальта лития. Хотя у таких аккумуляторов сравнительно невысокие рабочие показатели, их преимущество заключается в демократичной цене. Обычно их емкость составляет 2000-2500 mA*h, токоотдача 1-2C.

Они нашли применение в изготовлении АКБ к ноутбукам. Среди всех Li-ion аккумуляторов ICR — самый небезопасный вид, так как они чувствительнее других к перезаряду, механическим ударам и перегреву. Строго рекомендуется использовать этот элемент только совместно с платой BMS и только в устройствах, рассчитанных на потребление больших токов (>2C).

IMR — обозначение для аккумуляторов с катодом из литий-марганца. Они выдерживают токи 4-10С, за счёт чего существенно расширяются их возможности в применении. По ёмкости они не отличаются от ICR она достигает 2500 mA*h. Но, будучи меньше подверженными перегреву в широком диапазоне рабочих токов, IMR безопаснее.

INR — аккумуляторы, в которых в роли материала катода выступает никелат лития. По степени подверженности нагреву под рабочими токами они аналогичны с IMR, так как тоже выдерживают до 4-10С. Но ёмкость у этой категории аккумуляторов выше: она может достигать 3500 mA*h.

NCR — маркировка, обозначающая, что катодом служат кобальт и никелат лития. Такие аккумуляторы рассчитаны на токи до 2С и обладают большой ёмкостью 3500 mA*h. На этом преимущества NCR не заканчиваются: эти устройства способны прожить более 500 рабочих циклов заряда и разряда. В процессе сборки АКБ с такими аккумуляторами необходимо учитывать, что для работы на токах, близких к верхнему допустимому пределу, понадобится обеспечить контроль температуры. Не все платы BMS дают такую возможность.

Почему может произойти возгорание в Li-ion АКБ?

Причины возгорания аккумуляторов в основном кроются в двух возможных ситуациях: перегрев либо механическое повреждение. Причем если удар был сильным, аккумулятор может вспыхнуть моментально.

Перегрев может произойти по таким причинам:

• Тепловое воздействие извне;
• Избыточный заряд;
• Короткое замыкание сети;
• Подвержение аккумулятора токам, которые превышают допустимый предел.

Нагрев элемента до 80-90°C может запустить химическую реакцию с выделением тепла — и она ещё сильнее усугубит ситуацию. Если температура в аккумуляторе достигнет 180-200°C, самовозгорание неминуемо. Воспламенение приведет к дальнейшему росту температуры до 900°С.

Чтобы такого не произошло, многие литий-ионные аккумуляторы оснащены защитным клапаном. Он сбрасывает из элемента избыток давления в случае, если перегрев только начался, а также в районе контакта “плюс” размыкает электрическую цепь. Эти меры, предусмотренные защитным клапаном, часто спасают в экстренных ситуациях от возгорания и взрыва.

Есть также элементы с интегрированными в них платами защиты для контроля уровня напряжения. Они следят за тем, чтобы его значение не выходило за минимальный или максимальный рабочий предел, а также способны ограничивать поступающий ток. Визуально аккумуляторы с такой защитой длиннее других, а цена их выше. Аргументы в пользу защищенных аккумуляторов и против их использования вы сможете взвесить, прочитав эту статью.

Причины пожароопасности Li-pol аккумуляторов

По характеристикам Li-pol и Li-ion аккумуляторы очень похожи, но их энергоёмкость ещё выше. Такое сочетание параметров делает эту модификацию идеальной для применения в носимой электронике, мобильных гаджетах, RC моделях. Их рабочий диапазон напряжения лежит между 2,5 до 2,75 V для минимальных значений, от 4,2 до 4,35 V — для максимальных.

Литий-полимерные аккумуляторы представлены в огромном спектре типоразмеров. Для них справедливы те же причины возможного пожара, что и для литий-ионных устройств, но на механическое воздействие они реагируют ещё чувствительнее. Эти агрегаты не оснащаются защитными клапанами и плохо переносят сильную тряску.

Подверженность возгоранию аккумуляторов LTO

АКБ с анодом из пентатитаната лития применяются в случаях, когда нужна большая токоотдача: к примеру, в автомобилях. Это категория аккумуляторов с рекордной долговечностью в эксплуатации, до 25 000 полных циклов заряда и разряда. LTO работают с величинами напряжения: минимальное 1,6 Вольт, максимальное 2,7 Вольт.

Наконец, у этих аккумуляторов самая низкая энергоёмкость, до 110 Вт*ч/кг.

Как и следующий тип, LiFePO4, аккумуляторы из литий-титаната относятся к категории безопасных. Они выдерживают огромные токи как при заряде, так и при разряде, и практически не подвержены самовозгоранию при нештатных ситуациях.

Насколько пожароопасны аккумуляторы LiFePO4

Аккумуляторы этого типа зачастую применяются в резервных источниках питания и в разных видах электротранспорта, взамен свинцовых батарей. Энергоёмкость LiFePO4 ниже, чем у литий-ионных: до 190–250 Вт*ч/кг. Рабочее напряжение в минимальном значении 2,5V, в максимальном — 3,65V.

Сам по себе аккумулятор LiFePO4 не подвержен самовозгоранию, у него завидно высокая химическая и термическая стабильность. Однако это не значит, что перегрев для устройства с такой батареей не страшен: если замкнет цепь, и неисправная АКБ сильно нагреется, то высокая температура может привести к возгоранию предметов, её окружающих.

Техника безопасности для применения литиевых АКБ

Первоочередной мерой безопасности станет выбор качественного продукта: ячеек или уже готовых АКБ при сборке. Известны случаи, когда некачественные батаери от сомнительных поставщиков загорались произвольно в процессе зарядки, несмотря на строгое соблюдение условий эксплуатации.

Подбирая товары от надёжных проверенных производителей, вы обезопасите себя от лишних рисков и будете точно знать, что продукция соответствет заявленным характеристикам. Это снизит вероятность возникновения нештатных ситуаций и возможности возгорания.

Правила эксплуатации АКБ для безопасной работы

Соблюдая несложные рекомендации из перечня ниже, вы сможете минимизировать любые риски, сопряженные с применением литиевых аккумуляторов.

• Избегайте полного разряда аккумулятора до полного выключения и перезаряда — не оставляйте зарядное включенным на всю ночь.
• Контролируйте температуру аккумуляторов, чтобы она не превышала 60°C.
• Откажитесь от эксплуатации аккумуляторов с механическими повреждениями (удар, урон), даже если визуально следы повреждения незаметны.
• Разряженным аккумулятор не оставляйте: он деградирует, повышается его внутреннее сопротивление, из-за чего происходит избыточный нагрев.
• Обязательно устанавливайте плату BMS кроме тех случаев, когда её отсутствие предусмотрено устройством — например, в моно-колесах.
• Не ставьте аккумуляторы на зарядку при отрицательной температуре среды.

Что делать в экстренной ситуации

Как мы уже выяснили в статье, возгоранию подвержены в основном аккумуляторы Li-ion или Li-pol АКБ. Если вдруг это случилось, помните: горение АКБ носит химический характер, поэтому порошковые или углекислотные огнетушители не помогут. Необходимо срочно залить воспламенившийся аккумулятор водой: это поможет снизить температуру и остановить ход химической реакции. Если воды под рукой не оказалось, правильным действием будет убрать подальше от устройства горючие предметы, отойти на безопасное расстояние и дать ему выгореть.

Производители совершенствуют литиевые аккумуляторы с каждым годом, стараясь не только увеличить их ёмкость, но и проработать меры безопасности: встраивают защитные клапаны и платы. А простые правила эксплуатации делают их надёжным и вполне безопасным ресурсом хранения энергии, поэтому нет необходимости отказываться от их преимуществ.

Источник