Литий ионные аккумуляторы огонь

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:

1. Оказавшись в неприятной ситуации – самое главное сохранять спокойствие.
2. 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!
3. 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:

1. Если обстоятельства позволяют, выбросьте прибор или батарею, туда, где горение и взрыв не навредит.
2. 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

Ученые создали Li-ion батарею, которая работает даже в огне

В начале 1990-х годов, когда в местное пожарное отделение позвонили из компании Moli Energy, пожарные точно знали, куда ехать: на аккумуляторный склад компании. Ванкуверская фирма была первой, начавшей массовое производство литий-металлических аккумуляторов. Но такие батареи имели одну неприятную особенность — они взрывались, что в конечном итоге привело к потоку негативных отзывов, который и обанкротил компанию.

Прошло тридцать лет, и современные литий-ионные батареи стали куда компактнее при большей емкости, однако они все еще могут взрываться — думаю, печальную судьбу Samsung Galaxy Note7 помнят многие. Одним из виновников такого взрывного поведения является жидкий электролит — обычно легковоспламеняющийся органический растворитель, который облегчает потоку ионов путешествие между электродами батареи. И первое, что сделали ради повышения безопасности таких аккумуляторов еще с десяток лет назад, это заменили горючий жидкий электролит на твердый пористый материал.

Однако в реальности никогда все не бывает так просто. Твердотельные электролиты, в общем и целом, являются менее легковоспламеняющимися веществами, чем их жидкие аналоги, но все же они не полностью устойчивы к возгораниям. Правда, теперь это может измениться, благодаря новой технологии, разработанной командой ученых во главе с Йи Цуем, материаловедом из Стэнфордского университета.

В статье, опубликованной в журнале Nano Letters, команда описывает, как они создали новый «огнеупорный» твердотельный электролит для использования в литий-ионных батареях. «Мы решаем проблему воспламеняемости твердотельных электролитов, добавляя в них огнезащитный состав», — говорит Цзяю Ван, доктор наук в лаборатории Цу и соавтор этой статьи.

Общий принцип работы Li-ion аккумулятора.

Они использовали огнестойкий материал, называемый декабромдифенилоксид этана. Чтобы создать новый твердотельный электролит, команда сначала создала тонкую пленку, объединив декабромдифенилоксид этана с полиимидом, веществом, усиливающим механическую прочность. Использование полиимида дает много преимуществ, говорит Ван. Помимо того, что он «действительно механически прочен», он может похвастаться высокой температурой плавления (что снижает вероятность возникновения короткого замыкания), также его легко внедрить в существующие технологические процессы производства литий-ионных аккумуляторов, ну и под конец — он дешев.

Однако проблема в том, что полиимид — хороший диэлектрик, а электролит должен проводить ионы лития. Чтобы обойти это препятствие, Ван и его коллеги добавили в смесь два разных полимера, полиэтиленоксид и бистрифторметансульфонилимид лития (кто прочел декабромдифенилоксид с первого раза — для вас новый челлендж).

Выглядит бистрифторметансульфонилимид не лучше, чем читается.

«Это инновация — они умело использовали сополимеры, что является новым способом решения проблемы воспламеняющихся полимерных электролитных батарей», — говорит Чуншенг Вонг, исследователь, изучающий новые аккумуляторные технологии в Университете Мэриленда.

Твердотельные электролиты принимают две основные формы. Вы можете сделать их из керамики, материала, который хорошо проводит ионы, но невероятно хрупок, из-за чего приходится делать более толстые батареи, которые имеют меньшую плотность энергии. Второй путь — можно использовать электролиты, состоящие из полимеров, которые являются дешевыми, легкими и гибкими веществами. К тому же они «мягкие», что дает низкое сопротивление на границе раздела электрода и электролита — это позволяет электролиту легко проводить ионы.

Но у полимерных электролитов тоже есть проблемы. «Их мягкость означает, что они не способны подавлять распространение литиевого дендрита, поэтому они огнеопасны», — говорит Ван, имея в виду крошечные игольчатые выступы, которые растут из анода батареи. Дендриты могут возникать в литиевой батареи после большого числа циклов зарядки и разрядки; когда эти кристаллы лития проникают в сепаратор аккумулятора, они могут вызвать короткое замыкание и возгорание.

Процесс роста дендрита лития в аккумуляторе.

«Использование полиимида помогло нам решить проблему с недостаточной прочностью электролита, позволив добиться надежности на уровне батарей с керамическими электролитами при существенно меньшей толщине», — говорит Ван.

Механическая прочность, наряду с пониженной воспламеняемостью, являются лишь некоторыми причинами того, почему твердотельные электролиты Цу вызвали интерес у исследователей как в научных кругах, так и в промышленности. Еще одна немаловажная особенность твердотельных электролитов заключается в том, что они позволяют создавать штабеля аккумуляторов. «Поскольку такой электролит не течет, вы можете легко соединить несколько батарей без проводов. что крайне важно для увеличения плотности энергии», — говорит Ван.

Но идеального варианта все равно не существует. По словам Вана, у всех твердотельных электролитов на данный момент есть свои проблемы, требующие решения.

И команда Цу в Стэнфорде смогла на шаг приблизиться к созданию идеального литий-ионного аккумулятора. Мало того, что они создали новый ультратонкий твердотельный электролит (толщиной от 10 до 25 микрометров), их разработка также обеспечивает высокую удельную емкость аккумулятора (131 миллиампер-час на грамм, что в полтора раза больше, чем у современных Li-ion батарей) и демонстрирует неплохие показатели живучести (300 полных циклов перезаряда при 60 градусах Цельсия).

Важно отметить, что изготовленные в лаборатории прототипы батарей оказались работоспособными, даже если поместить их в огонь: на видео хорошо видно, что светодиод, питающийся от такого аккумулятора, продолжает гореть, даже если последний объят пламенем.

«Это было крайне удивительно для нас», — говорит Ван. «Обычно батареи просто взрывается в огне. Но в данном случае она не только не взрывается, но и продолжает функционировать».

На данный момент команда Цу продолжает искать новые материалы и конструкции для использования в твердотельных электролитах с целью повышения максимального тока и емкости аккумулятора. По словам Вана, теперь их задача состоит в том, чтобы зарядить такую батарею быстрее, иметь более высокую плотность энергии и большую долговечность.

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