Проблеми безпеки з літій-іонними акумуляторами
Безпека літієвих батарей привернула значну увагу ЗМІ та юристів. Будь-який пристрій накопичення енергії несе ризик, як було продемонстровано у 1800-х роках, коли вибухали парові двигуни, і люди отримували травми. Перевезення легкозаймистого бензину в автомобілях було гарячою темою на початку 1900-х років. Усі батареї несуть ризик для безпеки, і виробники батарей зобов'язані дотримуватися вимог безпеки, менш авторитетні фірми відомі тим, що роблять спрощення, і це «покупець, будь обережний!».
Літій-іонні акумулятори безпечні, але оскільки мільйони споживачів використовують акумулятори, поломки неминучі. У 2006 році поломка, яка сталася в один раз на 200 000, призвела до відкликання майже шести мільйонів літій-іонних акумуляторів. Sony, виробник відповідних літій-іонних елементів, зазначає, що в рідкісних випадках мікроскопічні частинки металу можуть контактувати з іншими частинами елемента акумулятора, що призводить до короткого замикання всередині елемента.
Акумулятори LiFePO4
Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)
Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.
Купити
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження
Купити
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy
КупитиВиробники акумуляторів прагнуть мінімізувати наявність металевих частинок. Напівпровідникова промисловість витратила мільярди доларів на пошук способів зменшення кількості частинок, що знижують вихід продуктивності пластин. Сучасні чисті приміщення належать до класу 10, в яких присутні 10 000 частинок розміром понад 0,1 мкм на кубічний метр (ISO 4 згідно зі стандартами ISO 14644 та ISO 14698). Незважаючи на таку високу чистоту, дефекти частинок все ще трапляються в напівпровідникових пластинах. Клас 10 зменшує кількість частинок, але не усуває їх повністю.
Виробники акумуляторів можуть використовувати менш суворо контрольовані чисті приміщення, ніж напівпровідникова промисловість. У той час як непрацюючий напівпровідник просто потрапляє у сміттєвий бак, пошкоджений літій-іонний акумулятор може непомітно потрапити до робочої сили та зношуватися, не підозрюючи про це. Отримані несправності є особливо критичними через зменшення товщини сепараторів для збільшення питомої енергії.
Елементи з надтонкими сепараторами розміром 24 мкм або менше (24 тисячні мм) більш схильні до домішок, ніж старіші конструкції з нижчими показниками ємності в Аг. У той час як елемент ємністю 1350 мАг у корпусі 18650 міг витримати випробування на проникнення цвяхів, елемент високої щільності ємністю 3400 мАг може спалахнути під час проведення того ж випробування. Нові стандарти безпеки визначають, як використовувати акумулятори, і випробування UL1642 Underwriters Laboratories (UL) більше не вимагає проникнення цвяхів для прийняття літієвих акумуляторів на безпечну основу.
Щоб перевірити безпеку нової комірки, виробник може передати 1 мільйон зразків робочій силі для спостереження. Комірка схвалена для використання в критично важливих місіях, таких як медичні, якщо протягом одного року не виникне жодних збоїв, які можуть поставити під загрозу безпеку. Подібні польові випробування також поширені з фармацевтичною продукцією.
Літій-іонні акумулятори, що використовують звичайні оксиди металів, наближаються до своєї теоретичної межі питомої енергії. Замість оптимізації ємності, виробники акумуляторів удосконалюють методи виробництва, щоб підвищити безпеку та збільшити термін служби. Справжня проблема полягає в тому, що в рідкісних випадках всередині елемента виникає коротке замикання. Зовнішні захисні периферійні пристрої неефективні для зупинки теплового розгону, коли він вже почався. Акумулятори, відкликані у 2006 році, відповідали вимогам безпеки UL, проте вони виходили з ладу за нормального використання з відповідними захисними схемами.
Існує два основних типи поломок акумуляторів. Один трапляється з передбачуваним інтервалом на мільйон і пов'язаний з конструктивним недоліком, що стосується електрода, сепаратора, електроліту або процесів. Ці дефекти часто передбачають відкликання для виправлення виявленого недоліку. Більш складні поломки – це випадкові події, які не вказують на конструктивний недолік. Це може бути стресова подія, така як заряджання при температурі нижче нуля, вібрація або випадковий інцидент, порівнянний з падінням метеорита.
Давайте детальніше розглянемо внутрішню роботу елемента. Невелике коротке замикання спричинить лише підвищений саморозряд, а накопичення тепла мінімальне, оскільки потужність розряду дуже низька. Якщо достатня кількість мікроскопічних металевих частинок сходиться в одному місці, між електродами елемента починає протікати значний струм, і це місце нагрівається та слабшає. Як невеликий витік води в несправній гідроелектростанції може перетворитися на потік і зруйнувати конструкцію, так само накопичення тепла може пошкодити ізоляційний шар у елементі та спричинити коротке замикання. Температура може швидко досягти 500°C (932°F), і в цей момент елемент спалахує або вибухає. Такий тепловій втечі, що відбувається, відомий як «витікання полум'ям». «Швидке розбирання» – це кращий термін у акумуляторній промисловості.
Нерівномірні сепаратори також можуть спричинити вихід з ладу елементів. Погана провідність через сухі ділянки збільшує опір, що може призвести до появи локальних теплових плям, які послаблюють цілісність сепаратора. Тепло завжди є ворогом акумулятора.
Більшість великих виробників літій-іонних акумуляторів перевіряють кожен елемент рентгенівським шляхом у рамках автоматизованого контролю якості. Програмне забезпечення перевіряє аномалії, такі як зігнуті виступи або подрібнені желеподібні рулони. Саме тому літій-іонні акумулятори сьогодні такі безпечні, але такі ретельні виробничі методи можуть бути запропоновані лише відомими брендами.
Чому батареї виходять з ладу
Якісні літій-іонні акумулятори безпечні, якщо їх використовувати за призначенням. Однак, у споживчих товарах, які використовують несертифіковані акумулятори, було зареєстровано велику кількість випадків перегріву та пожежі, і ховерборд є прикладом цього. Можливо, цю проблему було вирішено завдяки використанню сертифікованих літій-іонних акумуляторів у більшості сучасних моделей. Представник UL на зустрічі у Вашингтоні, округ Колумбія, заявив, що з моменту сертифікації літій-іонних акумуляторів у ховербордах не було зареєстровано жодних нових випадків перегріву чи пожежі. Пожежі, що виникли в Samsung Galaxy Note 7, були спричинені виробничим дефектом, який було виправлено. Головний акумулятор Boeing 787 Dreamliner також мав дефекти, які було виправлено.
Неправильне використання всіх акумуляторів включає надмірну вібрацію, підвищене нагрівання та заряджання літій-іонних акумуляторів нижче нуля. Літій-іонні та свинцево-кислотні акумулятори не можна повністю розряджати, їх необхідно зберігати із залишковим зарядом. У той час як нікелеві акумулятори можна зберігати в повністю розрядженому стані без видимих побічних ефектів, напруга літій-іонних акумуляторів не повинна опускатися нижче 2 В/елемент протягом будь-якого тривалого часу. Усередині елементів утворюються мідні шунти, які можуть призвести до підвищеного саморозряду або часткового короткого замикання. Після перезаряджання елементи можуть стати нестабільними, що спричинить надмірне нагрівання або інші аномалії.
BMS для літієвих АКБ
Захищає батареї від перезаряду, глибокого розряду, перегріву та надвисокого струму
Victron VE.Bus BMS V2 – система управління літієвими акумуляторами LiFePO4 Smart
Розумна система керування батареями LiFePO4 Smart від Victron
Купити
SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart акумуляторів Victron
Компактна система керування батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), що забезпечує базовий захист акумуляторів від глибокого розряду, надмірного заряду та перегріву.
Купити
Smart BMS CL 12/100 – інтелектуальний захист LiFePO4 батарей у 12В системах від Victron Energy
Поєднує обмеження струму з генератора, Bluetooth-моніторинг, аварійні виходи та модульну взаємодію з іншими пристроями Victron – все в одному пристрої!
КупитиВважається, що нагрівання в поєднанні з повним зарядом створює більше навантаження на літій-іонний акумулятор, ніж звичайний циклічний заряд. Тримайте акумулятор і пристрій подалі від сонячного світла та зберігайте їх у прохолодному місці при частковому заряді. Перевищення рекомендованого струму заряду шляхом надшвидкої заміни також шкодить літій-іонному акумулятору. Нікель-кадмій – єдиний хімічний елемент, який дозволяє надшвидку зарядку з мінімальним навантаженням.
Літій-іонні акумулятори, які зазнали впливу навантажень, можуть функціонувати нормально, але вони стають більш чутливими до механічних пошкоджень. Відповідальність за несправний акумулятор несе виробник, навіть якщо несправність могла бути спричинена неправильним використанням та поводженням. Це турбує виробників акумуляторів, і вони докладають додаткових зусиль, щоб зробити свою продукцію безпечною. Ставтеся до акумулятора як до живого організму, запобігаючи надмірному навантаженню.
З огляду на те, що щодня у світі використовується понад мільярд мобільних телефонів і комп’ютерів, кількість нещасних випадків невелика. Для порівняння, Національне управління океанічних і атмосферних досліджень стверджує, що ймовірність потрапляння блискавки протягом життя становить приблизно 1 до 13 000. Літій-іонні акумулятори мають рівень відмов менший за один до мільйона. Рівень відмов якісного літій-іонного елемента кращий за 1 до 10 мільйонів.
Промислові акумулятори, такі як ті, що використовуються для електроінструментів, зазвичай міцніші, ніж ті, що використовуються в споживчих товарах. Окрім міцної конструкції, акумулятори для електроінструментів максимально підвищують потужність та споживають менше енергії для тривалого часу роботи. Елементи живлення мають нижчий номінальний заряд в Аг, ніж енергетичні елементи, і загалом є більш стійкими та безпечними до неналежного використання.
У статті «Безпека батарей у громадських місцях» розглядаються питання щодо споживчих батарей. Однією з найбільш аварійних батарей є літій-іонні батареї у форм-факторі 18650 незнайомої марки. Ці батареї, що випускаються для вейпінгу, не мають такої ж якості та безпеки, як батареї відомої марки. Літій-іонні батареї безпечні, якщо виготовлені авторитетним виробником, але було кілька пожеж та травм, пов'язаних з дефектами елементів, які загорілися під час перенесення в одязі та під час подорожі. Пожежа на борту змусила літак WestJet повернутися до аеропорту у 2018 році невдовзі після зльоту. Палаюча батарея електронної сигарети була незаконно поміщена в багаж як запасна та зареєстрована. Вантажний відсік літака недоступний під час польоту, а палаюча батарея вимагає позапланової посадки. Федеральне управління цивільної авіації США (FAA) зафіксувало 206 інцидентів, пов'язаних з літій-іонними батареями, між 1991 і 2018 роками.
Що робити, коли акумулятор перегрівається або займається
Якщо літій-іонний акумулятор перегрівається, шипить або випирає, негайно відсуньте пристрій подалі від легкозаймистих матеріалів і покладіть його на негорючу поверхню. Якщо можливо, вийміть акумулятор і винесіть його на вулицю, щоб він згорів. Просте відключення акумулятора від зарядки може не зупинити його руйнівний процес.
Невелику пожежу літій-іонного акумулятора можна загасити, як і будь-яку іншу горючу речовину. Для найкращого результату використовуйте пінний вогнегасник, CO2 , сухий хімічний засіб ABC, порошкоподібний графіт, мідний порошок або соду (карбонат натрію). Якщо пожежа сталася в салоні літака, FAA доручає бортпровідникам використовувати воду або газовану воду. Продукти на водній основі є найбільш доступними та підходять, оскільки літій-іонний акумулятор містить дуже мало металу літію, який реагує з водою. Вода також охолоджує сусідню зону та запобігає поширенню вогню. Дослідницькі лабораторії та заводи також використовують воду для гасіння пожеж літій-іонних акумуляторів.
Екіпаж не має доступу до вантажних відсіків пасажирського літака під час польоту. Для забезпечення безпеки у разі пожежі літаки покладаються на системи пожежогасіння. Галон є поширеним вогнегасником, але цього агента може бути недостатньо для гасіння пожежі літій-іонного акумулятора у вантажному відсіку. Випробування FAA показали, що протипожежний газ галон, встановлений у вантажних відсіках авіакомпаній, не може загасити пожежу акумулятора, яка поєднується з іншими легкозаймистими матеріалами, такими як газ в аерозольному балончику або косметика, яку зазвичай носять із собою мандрівники. Однак система запобігає поширенню полум'я на сусідні легкозаймисті матеріали, такі як картон або одяг.
Зі збільшенням використання літій-іонних акумуляторів були розроблені вдосконалені методи гасіння літієвих пожеж. Вогнегасник на основі водної вермикулітової дисперсії (AVD) розсіює хімічно розшарований вермикуліт у вигляді туману, що має переваги перед існуючими продуктами. Вогнегасники AVD доступні в аерозольному балончику об'ємом 400 мл для невеликої пожежі, каністрі AVD для складів і заводів; 50-літровій системі візків AVD для великих пожеж та модульній системі, яку можна перевозити на пікапі.
Extover® – це ще один вогнегасний засіб, який ефективно пригнічує та гасить палаючі літій-іонні акумулятори, мінімізуючи пошкодження навколишньої зони шляхом ізоляції джерела вогню. Легкий та сипучий скляний заповнювач можна наносити на палаючу батарею вручну, відром або лопатою. Розмір зерен варіюється від 0,04 мм до 2 мм для різних застосувань. Extover® дозволяє батареї безпечно згоряти, утворюючи однорідне покриття, оскільки палаючу літій-іонну батарею нелегко загасити. Extover® не містить хімічних речовин, виготовлений зі 100% перероблених матеріалів та підходить для малих та великих акумуляторів. Матеріал можна використовувати повторно, якщо він чистий.
Легкодоступним та ефективним вогнезахисним засобом є пісок, що зберігається у вогнетривкій упаковці. У разі пожежі палаючу батарею переміщують у упаковку та покривають піском, щоб забезпечити контрольоване вигоряння. Пісок також можна накидати на гарячу батарею, щоб запобігти поширенню вогню. Пісок приблизно втричі важчий за Extover®, виготовлений зі скловолокна.
Велике пожежа літій-іонних акумуляторів, наприклад, в електромобілі, може потребувати догорання. Можна використовувати воду з мідним матеріалом, але це може бути недоступно та дорого коштує для пожежних станцій. Все частіше експерти радять використовувати воду навіть при великих пожежах літій-іонних акумуляторів. Вода знижує температуру горіння, але не рекомендується для пожеж акумуляторів, що містять літій-металеві елементи.
Дослідження IdTechEx показує, що 17% пожеж в електромобілях трапляються під час звичайного водіння; 25% під час заряджання; 20% внаслідок аварії; і 4% через надмірний контакт акумулятора з повітрям або водою. У звіті йдеться, що пожежі в електромобілях є серйознішими, ніж у звичайних автомобілях з двигунами внутрішнього згоряння. Для гасіння пожежі в Tesla Model S знадобилося майже 30 000 галонів (понад 100 000 літрів) води через повторне займання та безперервне горіння протягом чотирьох годин. Для порівняння, типову пожежу в автомобілі з двигуном внутрішнього згоряння можна загасити приблизно 300 галонами (>1000 літрів) води. Засоби боротьби з пожежами в електромобілях часто полягають у змінах програмного забезпечення, щоб знизити ємність акумулятора до 90%. Також траплялися рідкісні виробничі дефекти в елементах. IDTechEx очікує жорсткіших правил проектування з використанням більш вогнестійких матеріалів.
У разі пожежі, спричиненої літій-металевим акумулятором, використовуйте лише вогнегасник класу D. Літій-метал містить багато літію, який реагує з водою та посилює пожежу. Зі зростанням кількості електромобілів повинні змінюватися і методи гасіння таких пожеж.
Під час теплового вибуху висока температура несправного елемента всередині акумуляторного блоку може поширюватися на наступні елементи, що призводить до їхньої термічної нестабільності. Може виникнути ланцюгова реакція, під час якої кожен елемент розпадається за власним графіком. Таким чином, блок може бути знищений за кілька секунд або протягом кількох годин, оскільки кожен елемент витрачається. Для підвищення безпеки, акумуляторні блоки повинні містити роздільники, щоб захистити несправний елемент від поширення на сусідній. На рисунку 1 показано ноутбук, пошкоджений несправним літій-іонним акумулятором.
Рисунок 1: Літій-іонний акумулятор, який, ймовірно, зруйнував ноутбук
Газ, що виділяється вентиляцією літій-іонного елемента, в основному є вуглекислим газом (CO2 ) . Інші гази, що утворюються внаслідок нагрівання, - це пароподібний електроліт, що складається з фтористого водню (HF) від 20 до 200 мг/Вт⋅год, та фториду фосфору (POF3 ) від 15 до 22 мг/Вт⋅год. Гази, що горять, також включають продукти горіння та органічні розчинники.
Знання про токсичність палаючого електроліту обмежені, і токсичність може бути вищою, ніж у звичайних горючих речовин. Провітріть приміщення та звільніть його, якщо присутній дим і гази. Газ і дим у замкнутому просторі, такому як літак, підводний човен і шахта, становлять потенційну загрозу для здоров'я.
Хоча літієві акумулятори ретельно досліджуються на предмет безпеки, нікелеві та свинцеві акумулятори також спричиняють пожежі та відкликаються з обігу. Причинами є несправні сепаратори, що виникають внаслідок старіння, недбалого поводження, надмірної вібрації та високої температури. Літій-іонні акумулятори стали дуже безпечними, а пов'язані з нагріванням збої трапляються рідко, якщо їх правильно використовувати.
