Аспекты безопасности литий-ионных аккумуляторов
Безопасность батарей на основе лития всегда привлекала много внимания. Любое устройство аккумулирования энергии может быть опасно — это было доказано еще в 1800-х, когда случались несчастные случаи с паровыми двигателями. В 1900-х, на заре автомобилестроения, хранение и использование легковоспламеняющегося бензина также несло в себе риск. Все электрические батареи могут быть опасными, и их производители должны выполнять требования по безопасности, а не просто предупреждать пользователей.
Литий-ионная технология в целом безопасна, но количество произведенных аккумуляторов этой системы исчисляется миллионами, и следовательно невозможно, чтобы абсолютно все они работали без сбоев. В 2006 году всего лишь несколько случаев возгорания вынудили корпорацию Sony отозвать более чем 6 миллионов литий-ионных аккумуляторов. Изучение дефектных аккумуляторов показало, что к этому привел контакт частей аккумулятора с микроскопическими металлическими частицами, вследствие чего возникало короткое замыкание.
| Standard Range AGM | Deep Cycle Range AGM | Gellyte Range GEL |
 |  |  |
| 10 — 12 лет / 600 циклов | 10 — 12 лет / 700 циклов | 10 — 12 лет / 750 циклов |
| универсальная серия AGM | для глубоких разрядов AGM | универсальная серия GEL |
Производители аккумуляторов стараются свести к минимуму наличие таких частиц, но сложные технические процессы при сборке делают задачу ликвидации абсолютно всех посторонних веществ трудновыполнимой. Современные элементы с ультратонкими сепараторами размером 24 микрометра или меньше (1 мкм = 0,001 мм) более чувствительны к загрязнениям, чем ранние конструкции с более низкими показателями емкости. В то время как элемент типоразмера 18650 емкостью 1350 мАч выдерживает проникновения гвоздя, элемент с большей плотностью энергии и емкостью 3400 мАч при таком же тесте может воспламениться. (Смотрите также BU-306: Какую функцию выполняет в электрической батарее сепаратор) К слову, можно отметить, что тест на проникновение гвоздя реально существовал, но современные стандарты больше не предписывают производителям обязательно его проводить.
Литий-ионные технологии, использующие оксиды металлов, постепенно приближаются к теоретическому пределу удельной энергоемкости. И вместо того, чтобы оптимизировать мощность, производители батарей вынуждены уделять все больше внимания совершенствованию производственных методов, которые призваны повысить безопасность и увеличить долговечность батарей. Но настоящей проблемой являются те редкие случаи, когда короткое замыкание возникает внутри самого электрического элемента. Внешние периферийные устройства защиты в данном случае являются просто неэффективными. Отозванные в 2006 году аккумуляторы Sony выполняли внутренние тесты безопасности, но все же это не спасло их от нескольких случаев возгорания.
Существует два основных типа сбоев электрических батарей. Первый из них связан с ошибками проектирования самой батареи или отдельных ее компонентов. Именно такие дефекты при обнаружении приводят к массовым отзывам уже произведенных аккумуляторов. Более сложными случаями являются моменты, когда дефекты напрямую не связаны с конструкцией батареи. Чаще всего они проявляются вследствие неправильной эксплуатации, например, в случае зарядки при низкой температуре или при работе в условиях сильной вибрации.
Давайте подробнее рассмотрим процессы, происходящие внутри электрического элемента. Слабое короткое замыкание внутри элемента приведет лишь к повышению саморазряда [BU-802b] и минимальному теплообразованию, так как участвующие в этом замыкании токи будут очень слабы. Но если достаточное количество микроскопических металлических частиц сформируют “мост” между электродами, то сила тока короткого замыкания может достичь опасного значения. Как небольшая струйка может привести к разрушению всей плотины, так и в электрическом элементе изначально небольшое короткое замыкание приводит к температурному повреждению изолирующего слоя, в результате чего сила короткого замыкания увеличивается. Температура очень быстро возрастает до 500°С, и в такой момент электрический элемент воспламеняется или даже взрывается. Этому явлению было дано название — тепловой пробой.
Неравномерная пропитка сепаратора электролитом также может привести к сбою батареи. Плохая проводимость на более сухих участках увеличивает сопротивление, что приводит к нагреву участка, что в свою очередь ослабляет целостность сепаратора. Нагрев во всех случаях является врагом электрической батареи.
| Marin GEL Range | Deep Cycle GEL Range | Solar GEL Range |
 |  |  |
| 10 — 12 лет / 800 циклов | 10 — 12 лет / 800 циклов | 10 — 12 лет / 800 циклов |
| для электромоторов лодок и катеров | для глубоких циклических разрядов | для солнечных электростанций |
1. Что делать в случае перегрева батареи
Если вы заметили, что литий-ионная батарея перегрета, издает шипящие звуки или вздулась, немедленно переместите устройство подальше от горючих материалов или поместите его на огнеупорную поверхность. Если возможно, то вообще лучше извлечь такой аккумулятор и вынести его на улицу.
При небольшом возгорании литий-ионного аккумулятора к нему необходимо применить стандартные противопожарные действия. Это может быть использование пенного огнетушителя или любого другого, например, наполненного углекислым газом или порошкообразной массой. Если пожар возник на борту самолета, существуют специальные инструкции, которые позволяют экипажу использовать любые доступные средства, включая воду. Тушение водой литий-ионных аккумуляторов является безопасным, так как в них содержится очень малое количество вступающего в бурную реакцию с водой металлического лития. Вода также способствует охлаждению области возгорания и предотвращает распространение пламени. В научно-исследовательских центрах и на заводах по производству аккумуляторов вода также является основным средством тушения пожаров.
Большое же возгорание литий-ионного аккумулятора, такое как, например, в электромобиле, тушить водой неэффективно. Возможно использование воды с добавлением медного порошка, но это крайне недешёвый метод.
При обнаружении возгорания литий-металлического аккумулятора используйте только огнетушитель класса D, так как количество лития в таком аккумуляторе является значительным, и тушение водой только увеличит огонь.
ВНИМАНИЕ: Не используйте огнетушитель класса D для тушения других типов пожаров, так как они рассчитаны на тушение металлов и металлсодержащих веществ.
Во время теплового пробоя высокая температура неисправного элемента может распространиться на соседние элементы, приводя к цепной реакции. Весь аккумулятор, таким образом, может быть уничтожен в течение нескольких секунд. Для повышения безопасности в аккумуляторе должен присутствовать разделитель между элементами — для защиты от распространения повышенной температуры. На рисунке 1 показан ноутбук, который был поврежден в результате неисправности литий-ионного аккумулятора.
Рисунок 1: Поврежденный перегревом литий-ионного аккумулятора ноутбук. По утверждению хозяина, ноутбук сильно нагрелся, начал издавать шипящий звук и заполнил всю комнату едким дымом.
| Flooded 6V | Flooded 8V | Flooded 12V |
 |  |  |
| 10 — 12 лет / 600 циклов | 10 — 12 лет / 600 циклов | 10 — 12 лет / 600 циклов |
| для тяжелых условий работы с электромотрами в составе лодок, погрузчиков, подъемников, поломоечных машин и т.д. | ||
При тепловом пробое аккумулятора происходит довольно сильное газообразование, главным образом, углекислого газа (CO2). Также происходит выброс продуктов горения вследствие воздействия высокой температуры. Испаряется этилен и пропилен, входящие в состава электролита, а также органические растворители.
Стоит отметить, что безопасность современных литий-ионных аккумуляторов довольно высока, а случаи теплового пробоя очень редко возникают при правильной эксплуатации. Но в то же время эти редкие случаи возгорания аккумуляторов на основе лития у всех на слуху, иногда регистрируемые случаи выхода из строя никелевых и свинцовых аккумуляторов почему-то не вызывают такого же интереса. Причиной коллапса аккумулятора может быть износ сепаратора, небрежное обращение или чрезмерное воздействие температуры или вибрации.
2. Рекомендации по работе с литий-ионными аккумуляторами
Литий-ионные аккумуляторы содержат довольно мало металлического лития, и в случае возгорания могут быть потушены водой. Но для тушения литий-металлических батарей необходим только огнетушитель класса D.
Следует помнить, что вода активно взаимодействует с литием, поэтому в случае недоступности огнетушителя класса D воду можно использовать только для предотвращения распространения огня.
Для наиболее эффективного тушения возгорания литий-ионного аккумулятора следует использовать пенный, порошковый или огнетушитель с углекислым газом.
Если отсутствует возможность потушить возгорание, то следует дать выгореть аккумулятору безопасным и контролируемым способом.
Будьте осторожны, так как каждый электрический элемент аккумулятора может привести к цепной реакции и воздействовать на соседние элементы. Даже внешне полностью выгоревший аккумулятор может еще содержать небезопасные элементы.
Источник
Причины возгораний Li-ion аккумуляторов, как и чем их тушить
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы внешне напоминают привычные пальчиковые батарейки, однако имеют огромное преимущество над ними в силе тока и емкости. Им нашлось применение в современных как бытовых приборах, так и в технике: от смартфонов до электромобилей.
Сотовый телефон. Почему они загораются и взрываются?
Следует помнить, что как и любая другая батарейка, литий-ионный аккумулятор несет в себе некоторые риски. Несмотря на то, что такая батарейка имеет относительно небольшой размер, последствия ее взрыва могут быть весьма печальными. Неправильная эксплуатация и утилизация могут стать причиной ожога, отравления и загрязнения окружающей среды.
Но, пожалуй, самое страшное, что может случиться в квартире – это пожар. А значит, каждый обязан быть в курсе того, что делать, если причиной возгорания стал литий-ионный аккумулятор.
Прежде всего следует отметить, что возгорание аккумулятора этого типа – крайне редкое дело. Он скорее вздуется, и из него вытечет электролит, но тем не менее в новостях каждый год описывают случаи взрыва аккумуляторов у смартфонов и прочих гаджетов.
Причины взрыва
Для того чтобы понять отчего происходит самовозгорание литий-ионных аккумуляторов, стоит вспомнить школьный курс физики и химии. Причина кроется в коротком замыкании между катодом и анодом, при котором повышается сила тока, явление разогревает элемент питания. Когда температура нагрева находится в пределах 70-90° С расплавленный литий вступает в реакцию с электролитом.
Выделяются взрывоопасные вещества, но без кислорода взрыва не возникает. Верным решением в описанной ситуации станет-разлом корпуса. Так или иначе, возгорание все равно случится, но в данном случае это будет именно горение, а не взрыв. Предположим, что аккумулятор крепкий. В скором времени температура повысится до 200 °С, а материал катода начнет разлагаться с выделением кислорода. Ускорит процесс термическое разложение электролита.
Теперь самое время вспомнить, что присутствие углеводородов, окислителя в виде кислорода и высокая температурная отметка – идеальное сочетание для взрыва.
В дальнейшем стоит ожидать, что взрывной волной будет сорвана крышка батарейного отсека либо пострадает девайс целиком. Второй вариант несет в себя серьезную опасность для пользователя устройства. Не исключено что, нагрев аккумулятора достигнет температуры 660-900 °С. Явление станет свидетельством реакции электролита и графита, расплавится алюминиевый токоприёмник.
Короткое замыкание, как правило, становится следствием физического воздействия на батарею. Если при ударе анод и катод соприкоснутся, подобный исход запустит необратимую реакцию.
Еще одной причиной самовозгорания может стать банальный перегрев, вызванный эксплуатацией неподходящего зарядного устройства или длительного пребывания электроприбора под солнцем. Из-за воздействия высокой температуры АКБ распирает, скорость химических реакций значительно возрастает.
Старение аккумулятора тоже увеличивает риск возгорания смартфона, планшета и гироскутера.
Чаще всего взрываются батарейки, чей срок службы давно истек. По прошествии 4-5 лет корпус и внутренности батарейки претерпевают изменения вследствие действия электролита, и потому аккумулятор становится крайне уязвим к перепаду температур, вибрации, короткому замыканию и механическим повреждениям. Из-за замыкания химические вещества, содержащиеся внутри аккумулятора, вступают в реакцию и образуют газы. Он начинает греться и вздувается.
Разумеется, аккумулятор обладает защитой: это специальный клапан, который открывается под определенным давлением и позволяет газам выйти наружу. Но иногда скорость реакции внутри настолько велика, что происходит настоящий взрыв батарейки, при котором вы видим потоки искр. Так воспламеняются газы при контакте с кислородом из атмосферы.
Почему взрываются
Как тушить
Как бы мы не старались избежать неприятных ситуаций связанных с возгоранием АКБ, от приобретения некачественной продукции никто не застрахован. Столкнувшись с проблемой возгорания аккумулятора, принадлежащего смартфону, планшету или гироскутеру необходимо четко следовать правилам ликвидации горения:
- Оказавшись в неприятной ситуации – самое главное сохранять спокойствие.
- Если электроприбор задымил, находясь на зарядке – обесточьте его. Для этого нужно ограничить питание при помощи автомата на щитке или вытащить вилку из розетки. Ни в коем случае не касайтесь горящего устройства!
- Остановите поступление кислорода, он поддерживает горение. Накройте устройство кастрюлей или плотным одеялом.
Что делать, если загорелась аккумуляторная батарея мобильного устройства (гаджета)
Внимание. Если химическая реакция в аккумуляторе запущена, остановить ее вряд ли удастся. Либо она прекратится без всякого вмешательства, либо прибор взорвется. Как бы там ни было, стоит позаботиться о том, чтобы последствия были минимальными:
- Если обстоятельства позволяют, выбросьте прибор или батарею, туда, где горение и взрыв не навредит.
- Если времени для раздумья нет – накройте устройство чем-то, что плохо горит и сможет сдержать осколки при взрыве.
Важно. Для тушения чистого лития нельзя использовать воду, соединяясь с ней вещество образует взрывоопасную смесь.
К счастью в современных АКБ в чистом виде металлический литий не применяется, поэтому тушение водой им не повредит. Если же инцидент коснулся не перезаряжаемой литиевой батарейки, тут уж нужно поберечься.
Если устройство было подключено к сети, в первую очередь нужно выдернуть шнур из розетки. Горение аккумулятора от этого не прекратится, но так вы обезопасите себя и свою квартиру от больших повреждений. Постарайтесь отнести устройство в огнеупорное место, например, в ванну или кухонную раковину. Дайте ему просто выгореть и остыть, а затем утилизируйте.
Порошковый огнетушитель – самое действенное средство борьбы с горящим литий-ионным аккумулятором. Но в критической ситуации подойдут любые стандартные противопожарные меры: тушение водой, песком, плотной тканью.
Следует напомнить, что мы говорим об аккумуляторах маленького размера. Тушение водой крупных Li-ion батарей, которыми оснащены электромобили, крайне опасно из-за бурной реакции лития с водой.
Воспламенение аккумулятора
Источник