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

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