Безопасность использования аккумуляторов в общественных местах

Интерес к батареям растет, но к накопленной энергии следует относиться с уважением. Как дети, так и взрослые часто не знают о потенциальных опасностях при экспериментах с батареями путем их нагревания, раздавливания или короткого замыкания. Некоторые батареи разрушаются с такой силой, что могут нанести серьезный вред, такой как потеря руки или смерть. Наносимый ущерб зависит от химического состава, и литиевые элементы являются самыми мощными.

Обратите особое внимание на литий-металлические элементы – самые плотные по энергии элементы, которые также являются самыми мощными при нагрузках сверх их пределов. Министерство здравоохранения Канады сообщает, что в течение одного года получило более 100 жалоб потребителей на батарейки. Неисправности касались перегрева и возникновения пожаров. Чиновники, ответственные за безопасность, говорят: «Любой тип батарейки может быть потенциальной проблемой». Это касается главным образом батареек, содержащих литий.

Настоятельно рекомендуется использовать детекторы дыма, чтобы оповестить о тлении до возникновения пожара. Люди знакомы со щелочными батарейками, но это главная причина. Другие системы менее снисходительны, и в этой статье рассматриваются распространенные системы батарей, используемые потребителями. Мы узнаем, как ухаживать за батарейками, на что обращать внимание во время путешествий и как избежать неприятностей благодаря правильному обращению.

Щелочные

Щелочные батарейки – самые распространенные бытовые батарейки. Они обеспечивают более длительное время работы и немного дороже цинково-углеродных, которые они заменили. Льюис Урри (1927–2004) изобрел щелочные батарейки в 1949 году, работая в лаборатории компании Eveready Battery Company в Огайо, США.

Бытовая щелочная батарея имеет примерно на 40 процентов больше энергии, чем средняя литий-ионная. Щелочная батарея экологически чистая и не протекает при разрядке, как старая цинково-углеродная батарея, появившаяся на рынке в 1868 году. Щелочная батарея имеет очень низкий саморазряд и может храниться до 10 лет. Она имеет хорошие показатели безопасности и может перевозиться в самолете без соблюдения транспортных и других правил ООН.

Рисунок 1: Щелочная батарейка типа AA

Недостатком щелочных аккумуляторов является высокое внутреннее сопротивление, которое ограничивает токовую нагрузку только легкими нагрузками, такими как пульты дистанционного управления, фонарики и портативные развлекательные устройства. Преимущество заключается в том, что щелочные аккумуляторы можно безопасно носить в джинсах. Короткое замыкание с ключами или монетами приведет к нагреву аккумулятора, но возгорания не должно произойти.

Несмотря на то, что щелочные батарейки безопасны, никогда не смешивайте батарейки с металлическими предметами. Не храните батарейки вблизи легковоспламеняющихся материалов. Сообщалось о случаях возгорания батареек. Пожарные инспекторы рекомендуют использовать контейнеры для хранения, которые защищают батарейки таким образом, чтобы положительные и отрицательные клеммы не соприкасались друг с другом.

Щелочные батарейки нельзя заряжать, или, по крайней мере, не следует. Это не мешает людям пытаться вернуть часть энергии в элемент. Обычные щелочные батарейки заряжаются в домохозяйствах на протяжении многих лет. Перезарядка наиболее эффективна, если элемент не разряжается более чем на 50 процентов. Глубина разрядки определяет количество перезарядок и ограничивается несколькими. Производители батареек не поддерживают эту практику из соображений безопасности; зарядка обычных щелочных батареек может образовывать газообразный водород, который может привести к взрыву.

Кнопочные элементы

Миниатюрный элемент питания, также известный как батарейка-таблетка, используется в игрушках, часах, слуховых аппаратах и медицинских устройствах. Дети любят играть с батарейками-таблетками, кладя их в рот и, возможно, проглатывая. Только в Соединенных Штатах ежегодно более 2800 детей получают помощь в отделениях неотложной помощи из-за проглатывания батареек-таблеток. Согласно отчету за 2015 год, количество травм и смертей от проглатывания батареек выросло в девять раз за последнее десятилетие.

Рисунок 2: Батарейки-таблетки

При проглатывании батарейка часто застревает в пищеводе (трубке, по которой проходит пища). Вода или слюна создают канал для электрического тока, который запускает химическую реакцию, в результате которой образуется гидроксид – едкий ион, способный вызвать серьезные ожоги окружающих тканей. Врачи часто неправильно диагностируют такие характерные симптомы, как лихорадка, рвота, плохой аппетит и усталость. Батарейки, которые проходят через пищевод, часто движутся по пищеварительному тракту с незначительными повреждениями или вообще без них, хотя они могут вызвать язву стенки желудка.

Совет родителям — выбирать безопасные игрушки и держать маленькие батарейки подальше от маленьких детей. Как и в случае с фармацевтическими продуктами, держите маленькие батарейки под замком в недоступном для маленьких детей месте.

Свинцово-кислотный

Свинцово-кислотный разряд создает высокий ток нагрузки в течение нескольких секунд, вызывает искры и плавит металлы, но аккумулятор быстро разряжается. Аналогию можно найти во фломастере, который высыхает, делая короткие пометки на бумаге, а затем требует отдыха для пополнения чернил. Хотя восстановление происходит быстро, зарядка, как известно, происходит медленно и ухудшается с возрастом. Электрическое короткое замыкание может привести к утечке и образованию выхлопных газов. Не пытайтесь замкнуть свинцово-кислотный аккумулятор.

Свинец – это токсичный металл, который может попасть в организм путем вдыхания свинцовой пыли или проглатывания при прикосновении ко рту руками, загрязненными свинцом. Дети и плоды беременных женщин наиболее уязвимы к отравлению свинцом. Чрезмерный уровень свинца может повлиять на рост ребенка, вызвать повреждение мозга, повредить почки, ухудшить слух и вызвать проблемы с поведением. У взрослых свинец может вызвать потерю памяти и снизить способность к концентрации, а также повредить репродуктивную систему. Свинец также известен тем, что вызывает высокое кровяное давление, нервные расстройства, боль в мышцах и суставах. Исследователи считают, что Людвиг ван Бетховен заболел и умер из-за отравления свинцом.

Рисунок 3: Герметичный свинцово-кислотный аккумулятор

Не храните стартерные аккумуляторы там, где играют дети, поскольку клеммы стартерного аккумулятора изготовлены из свинца. Свинцово-кислотные аккумуляторы также имеют один из самых коррозионных электролитов среди всех аккумуляторов, который необходимо защищать.

Литий-ионный

Вред, который может нанести литий-ионный элемент в результате случайного короткого замыкания, является неожиданностью для большинства. Упакованный в элемент 18650 (на фото), литий-ионный аккумулятор выглядит как безобидный щелочной элемент типа АА. Но это не так. При коротком замыкании литий-ионный аккумулятор обеспечивает постоянный ток без постоянного срабатывания. Это часто приводит к взрыву пламени, насильственному самоуничтожению, подобному ракете. Встроенные компоненты безопасности обеспечивают защиту, но не все элементы имеют такие меры предосторожности.

Многие элементы 18650 перевозятся как запасные для вейпинга. Электронные сигареты требуют высокого тока для активации нагревательного элемента, и только литий-ионный аккумулятор имеет такую грузоподъемность. При перевозке запасного аккумулятора заверните его в полиэтиленовый пакет, чтобы предотвратить короткое замыкание.

Из-за потенциальной опасности литиевые аккумуляторы больше нельзя класть в зарегистрированный багаж, а необходимо перевозить на борту самолета. Быстрый доступ к огнетушителю позволяет потушить пожар в салоне. Каждый пассажир может взять два запасных литий-ионных аккумулятора, емкость которых не превышает 160 Вт·ч каждый; всего 320 Вт·ч. Аккумулятор 18650 емкостью 3300 мАч имеет около 12 Вт·ч.

Рисунок 4: Литий-ионный элемент в формате 18650

С 1991 по 2016 год произошло 138 инцидентов в аэропортах и на самолетах, связанных с литиевыми батареями. Среди них 13 электронных сигарет, 7 мобильных телефонов/планшетов, 7 запасных батарей и 4 ноутбука. Наибольшее количество инцидентов связано с электронными сигаретами.

Согласно опубликованным отчетам, 68 процентов случаев выхода из строя аккумуляторов во время транспортировки вызваны коротким замыканием, и в значительной степени в этом виновата плохая упаковка. Не храните и не транспортируйте голые аккумуляторы в металлической коробке; не смешивайте батарейки с монетами, ключами от дома в джинсах. Всегда кладите элементы и батарейки в прозрачные пластиковые пакеты.

Рисунок 5: Литий-ионный аккумулятор сжигает джинсы

На рисунке 5 показана пара обгоревших джинсов, в которых литий-ионный аккумулятор соприкоснулся с рассыпанными монетами в кармане. Это вызвало ожоги третьей степени на ноге мужчины. После того, как пламя началось, мало что можно сделать, чтобы остановить его.

Литиевые батареи

Хотя литий-ионные аккумуляторы можно перезаряжать, существуют неперезаряжаемые литиевые аккумуляторы, которые по емкости превосходят литий-ионные. Они содержат металлический анод и часто называются литий-металлическими. Это повышает летучесть, и на эти аккумуляторы распространяются более строгие правила доставки, чем на более безопасные литий-ионные. Первичные литиевые аккумуляторы бывают разных видов и в основном используются для промышленного применения.

Литий-дисульфид железа (LiFeS2 ) – это замена обычных бытовых щелочных аккумуляторов, обеспечивающая более длительное время работы и лучшую способность к зарядке. Литиевые аккумуляторы обычно обеспечивают напряжение 3 вольта и выше, LiFeS2 – 1,5 вольта, что делает их совместимыми с форматами AA и AAA. Они стоят немного дороже щелочных и должны соответствовать правилам транспортировки.

Литий-тионилхлорид (LiSOCl2 или LTC) может выдерживать высокие температуры и сильную вибрацию. Благодаря широкому рабочему диапазону температур, аккумуляторы LTC в основном используются для горизонтального бурения, также известного как фрекинг, которое достигает температуры головки 125°C (257°F). Имея удельную энергию более 500 Вт·ч/кг, они предлагают вдвое большую емкость, чем лучшие литий-ионные аккумуляторы. Несмотря на свою прочность и, казалось бы, неуничтожимость, этот аккумулятор является одним из самых мощных при неправильном использовании. Из-за потенциальной опасности, LTC не разрешается использовать в потребительских товарах; он также требует обучения по обращению.

Литий-диоксид марганца (LiMnO2 или Li-M) – это еще один распространенный металлический литий-ионный аккумулятор, который является более безопасным, чем LTC. Он имеет меньшую емкость и безопасен для общественного использования. Типичными сферами применения являются измерение счетчиков, медицинские устройства, датчики оплаты за проезд и камеры.

Влияние старения

Литий-ионные аккумуляторы безопасны, но то, что может быть не до конца понятным с ростом их количества, так это старение. Пользователи спрашивают: «Разрядится ли мой аккумулятор тихо, или исчезнет с треском?» Типичными моделями использования, которые нагружают литий-ионный аккумулятор, являются чрезмерная нагрузка, быстрая зарядка и зарядка ниже нуля. Кроме того, хранение литий-ионного аккумулятора при напряжении ниже 2 вольт на элемент приводит к росту дендритов, которые могут повредить сепаратор и вызвать незначительное короткое замыкание, которое может перерасти в полное короткое замыкание, даже если его хранить. Небольшая утечка воды в неисправной гидроэлектростанции может превратиться в поток и разрушить конструкцию, так же повреждение сепаратора может привести к утечке пламени. Температура повышается до 500°C (932°F), после чего элемент воспламеняется или взрывается.

Если литий-ионный аккумулятор перегревается, шипит или вздувается, немедленно переместите устройство с аккумулятором подальше от легковоспламеняющихся материалов и положите его на негорючую поверхность. Если возможно, извлеките аккумулятор из устройства и вынесите его на улицу, чтобы он прогорел.

Небольшой пожар литий-ионного аккумулятора можно потушить, как и любой другой горючий пожар. Для лучшего результата используйте пеногаситель, CO2, сухой химический порошок ABC, порошкообразный графит, медный порошок или соду (карбонат натрия). Если пожар произошел в салоне самолета, FAA поручает бортпроводникам использовать воду или газированную воду. Продукты на водной основе являются наиболее доступными и подходят, поскольку литий-ионный аккумулятор содержит очень мало металлического лития, который может реагировать с водой. Вода также охлаждает соседнюю зону и предотвращает распространение огня.

Большой пожар литий-ионного аккумулятора, например, в электромобиле, возможно, придется дать выгореть, поскольку вода неэффективна. В случае пожара, вызванного литий-металлическим аккумулятором, используйте только огнетушитель класса D. Литий-металл содержит литий, который реагирует с водой и усиливает пожар. Не используйте огнетушитель класса D для обычных пожаров.

Статистика

Недавнее исследование, проведенное Университетом Джорджа Мейсона, оценило более 2000 обращений в отделения неотложной помощи США в результате травм, связанных со взрывом, из-за ожогов от электронных сигарет, с 2015 по 2017 год. Большинство пострадавших составляли мужчины, которые клали батарейки от электронных сигарет в карманы джинсов или рубашек. У некоторых также были ключи в карманах – опасная смесь металла и литий-ионных батарей, что вызывало короткое замыкание. Многие получили серьезные ожоги ног, рук и кистей, вплоть до смерти. На рисунке 6 приведена статистика.

Рисунок 6: Статистика инцидентов с батареями, связанных с электронными сигаретами