Пожарная безопасность литий ионных аккумуляторов

Пожароопасность литиевых аккумуляторов

Представить современную жизнь без литиевых аккумуляторов невозможно, они окружают нас везде — смартфоны, носимая электроника, аккумуляторные электроинструменты, электротранспорт, различные погрузчики, поломоечные машины и т.д. и т.п. Во многих сферах использование именно литиевых аккумуляторов является наилучшим решением, поскольку по таким параметрам как удельная энергоемкость и количество циклов заряда-разряда они являются лидерами, и ушли далеко вперед по сравнению со своими свинцовыми, NiCd и NiMH собратьями.

Рассматривать все плюсы и минусы «лития» сегодня мы не будем, а сосредоточимся на одном весьма серьезном недостатке — пожароопасность. Действительно, одной из самых главных проблем Li-ion аккумуляторов является вероятность возгорания, ведь в таком случае может пострадать не только устройство, в котором находилась батарея, но и все его окружающие пространство.

Мы постараемся разобраться во всех аспектах пожароопасности литиевых аккумуляторов и ответить на следующие вопросы:

• типы химии литиевых аккумуляторов. Насколько подвержены возгоранию те или иные виды аккумуляторов?
• из-за чего может загореться аккумулятор?
• техника безопасности. Что необходимо для безопасной эксплуатации аккумуляторов?
• что делать в случае возникновения экстренной ситуации?

Пожароопасность различных типов литиевых аккумуляторов

Многие слышали, что аккумуляторы могут загореться, но далеко не все задавались вопросом — а все ли аккумуляторы одинаково пожароопасны? Давайте разберемся.

Существует несколько видов литиевых аккумуляторов:

Li-ion

Начнем с одного из самых распространенных типов — Li-ion. Аккумуляторы данного типа обладают высокой энергоемкостью (до 280 Вт*ч/кг), наиболее часто встречаются в формате цилиндрических ячеек различных типоразмеров, самые популярные — 18650, 21700, 32650. Из таких элементов чаще всего собирают аккумуляторные батареи для электровелосипедов, электрокаров, аккумуляторного инструмента и т.д.

Минимальное напряжение для Li-ion аккумулятора варьируется от 2,5 до 2,75V, максимальное — от 4,2 до 4,35V.

В свою очередь Li-ion аккумуляторы имеют разные типы химии:

ICR — в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется кобальт лития. Главным преимущество таких аккумуляторов является их стоимость. У них сравнительно небольшая емкость (2000-2500mA*h) и низкие показатели токоотдачи (1-2C).

Используются они, например, в АКБ для ноутбуков. Это самый небезопасный тип Li-ion аккумуляторов, они наиболее чувствительны к перезаряду, перегреву, и механическим повреждениям. Категорически не рекомендуется использовать без платы BMS, а так же в устройствах потребляющих большие токи(>2C).

IMR — в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется литий-марганец. Этот тип Li-ion аккумуляторов способен выдерживать токи до 4-10C, что значительно расширяет область их применения. Емкость приблизительно такая же, как и у ICR — до 2500mA*h.

Этот тип аккумуляторов более безопасен, в сравнении с ICR, поскольку гораздо меньше подвержен нагреву в диапазоне рабочих токов.

INR — в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется никелат лития. Этот тип Li-ion аккумуляторов способен выдерживать токи до 4-10C, но в отличии от IMR может иметь гораздо более высокую емкость — до 3500mA*h. Так же не значительно подвергнут нагреву, при соблюдении рабочих токов.

NCR — в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется

никелат лития и кобальт. Этот тип Li-ion аккумуляторов способен выдерживать токи до 2C. Имеет высокую емкость — до 3500mA*h. Главным преимуществом является высокий срок службы — более 500 циклов заряда-разряда. При сборке АКБ из NCR элементов следует учесть, что, если работа батареи планируется на токах, близким к максимально допустимым, то рекомендуется позаботится о контроле температуры, такой возможностью обладают некоторые платы BMS.

Причины возгорания Li-ion аккумуляторов

Основные причины возгорания — это перегрев или механические повреждения.

Если повреждение аккумулятора достаточно сильное, то возгорание может произойти моментально.

Что касается перегрева, он может быть вызван несколькими факторами:

• внешнее тепловое воздействие;
• короткое замыкание;
• перезаряд;
• использование аккумулятора при токах, выше допустимых.

Если элемент нагревается до 80-90°C, может запустится химическая реакция, которая продолжит его нагревать, при достижении температуры 180-200°C происходит самовозгорание с дальнейшим повышением температуры вплоть до 900°С

Стоит отметить, что, во многих Li-ion аккумуляторах установлен защитный клапан. Это устройство, которое сбрасывает избыточное давление из элемента в случае его перегрева, а так же размыкает электрическую цепь в районе его плюсового контакта. Благодаря защитному клапану во многих экстренных ситуациях удается избежать возгорания и взрыва.

Так же существуют элементы со встроенными платами защиты, которые контролируют минимальное и максимальное напряжение, а так же ограничивают ток. Такие аккумуляторы имеют немного большую длину, и более высокую цену.

Li-pol

Li-pol аккумуляторы очень близки по своим характеристикам к Li-ion. Они широко используются в мобильных устройствах, носимой электронике, RC моделях и Т.Д. обладают еще большей энергоемкостью, чем Li-ion. Рабочий диапазон напряжения — минимальное от 2,5 до 2,75V, максимальное — от 4,2 до 4,35V. Ключевое отличие от Li-ion — это огромная разнообразность типоразмеров.

Все причины возгорания Li-ion элементов справедливы и для Li-pol, но в сравнении с Li-ion такие аккумуляторы гораздо более чувствительны к механическим повреждениям, они «не любят» тряску, и не имеют защитных клапанов.

LiFePO4

Данный тип аккумуляторов чаще всего используется в качестве замены свинцовых АКБ, в резервных источниках питания, а так же в различном электротранспорте. В сравнении с Li-ion имеет более низкую энергоемкость — до 190–250 Вт*ч/кг.

Минимальное напряжение — 2,5V, максимальное — 3,65V.

Это более безопасный тип литиевых аккумуляторов, они имеют очень высокую термическую и химическую стабильность, Т.Е. при перегреве LiFePO4 не самовозгорается. Но так же стоит понимать, что хоть LiFePO4 и не склонен химическому горению, неисправная АКБ, например, при коротком замыкании способна разогреться до высоких температур, что в свою очередь может спровоцировать возгорание окружающих батарею предметов.

Литий-титанатные аккумуляторы используются там, где требуется большая токоотдача, например, в автомобильных АКБ. Характеризуются высочайшей долговечностью — до 25000 циклов заряда-разряда. Имеют еще более низкую энергоемкость — до 110 Вт*ч/кг.

Минимальное напряжение на элементе — 1,6V, максимальное — 2.7V.

Так же, как и LiFePO4, литий-титанат считается довольно безопасным типом аккумуляторов, т.к. не подвержен самовозгоранию в случае возникновения нештатной ситуации, а так же способен выдерживать огромные токи заряда и разряда.

Техника безопасности. Какие правила следует соблюдать, для безопасного использования литиевых аккумуляторов.

В первую очередь, конечно же, стоит позаботиться о качестве продукта, который вы хотите использовать, будь то ячейки, или готовые аккумуляторные батареи. Стоит использовать товар только от надежных производителей, ведь заказывая аккумуляторы и АКБ у сомнительных поставщиков, есть риск получить не только несоответствие заявленным характеристикам, но и неприятности в виде пожара. Так, например, были случаи, когда особо некачественные аккумуляторы загорались сами по себе во время зарядки, даже если все условия эксплуатации были соблюдены.

Для безопасной работы аккумуляторов необходимо соблюдать следующие условия:

Не допускать перезаряда и переразряда аккумуляторов.

Следить, что бы температура аккумуляторов не поднималась выше 60°C.

Не использовать аккумуляторы, которые были подвергнуты механическим повреждениям, даже если на первый взгляд с ними ничего не произошло.

Не оставлять аккумуляторы в разряженном состоянии, это может привести не только к их деградации, но и к повышению внутреннего сопротивления, что в свою очередь вызовет больший нагрев.

У аккумуляторных батарей обязательно должна быть установлена плата BMS, исключением являются только те случаи, когда устройством предусмотрено отсутствие BMS в АКБ, например — моноколесо.

Не заряжать аккумуляторы при отрицательной температуре.

Соблюдение этих правил сведет к минимуму все риски, связанные с использованием литиевых аккумуляторов.

Действия в экстренной ситуации

В случае если произошло возгорание Li-ion или Li-pol АКБ следует помнить, что это химическое горение, т.е. порошковые и углекислотные огнетушители будут неэффективны, в такой ситуации необходимо как можно быстрее залить его водой, это снизит температуру, и остановит реакцию. В случае если воды не оказалось под рукой, то самым правильным решением будет убедиться в отсутствии горючих предметов рядом с аккумулятором, и дать ему выгореть, отойдя на безопасное расстояние.

печально известный galaxy note 7. Последствия самовозгорания батареи.

Стоит отметить, что литиевые аккумуляторы продолжают совершенствоваться, с каждым годом производители стараются делать их не только более емкими, но и более безопасными (защитные клапаны, встроенные платы защиты). В общем и целом, при соблюдении простых правил, литиевые аккумуляторы являются надежным и безопасным источником хранения энергии с массой преимуществ.

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