Проблемы безопасности с литий-ионными аккумуляторами
Безопасность литиевых батарей привлекла значительное внимание СМИ и юристов. Любое устройство накопления энергии несет риск, как было продемонстрировано в 1800-х годах, когда взрывались паровые двигатели, и люди получали травмы. Перевозка легковоспламеняющегося бензина в автомобилях была горячей темой в начале 1900-х годов. Все батареи несут риск для безопасности, и производители батарей обязаны соблюдать требования безопасности; менее авторитетные фирмы известны тем, что делают упрощения, и это «покупатель, будь осторожен!».
Литий-ионные аккумуляторы безопасны, но поскольку миллионы потребителей используют аккумуляторы, поломки неизбежны. В 2006 году поломка, которая произошла один раз на 200 000, привела к отзыву почти шести миллионов литий-ионных аккумуляторов. Sony, производитель соответствующих литий-ионных элементов, отмечает, что в редких случаях микроскопические частицы металла могут контактировать с другими частями элемента аккумулятора, что приводит к короткому замыканию внутри элемента.
Аккумуляторы LiFePO4
Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)
Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.
Купить
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки
Купить
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy
КупитьПроизводители аккумуляторов стремятся минимизировать наличие металлических частиц. Полупроводниковая промышленность потратила миллиарды долларов на поиск способов уменьшения количества частиц, снижающих выход производительности пластин. Современные чистые помещения относятся к классу 10, в которых присутствует 10 000 частиц размером более 0,1 мкм на кубический метр (ISO 4 согласно стандартам ISO 14644 и ISO 14698). Несмотря на такую высокую чистоту, дефекты частиц все еще случаются в полупроводниковых пластинах. Класс 10 уменьшает количество частиц, но не устраняет их полностью.
Производители аккумуляторов могут использовать менее строго контролируемые чистые помещения, чем полупроводниковая промышленность. В то время как неработающий полупроводник просто попадает в мусорный бак, поврежденный литий-ионный аккумулятор может незаметно попасть к потребителю и изнашиваться, не подозревая об этом. Возникающие неисправности особенно критичны из-за уменьшения толщины сепараторов для увеличения удельной энергии.
Элементы со сверхтонкими сепараторами размером 24 мкм или меньше (24 тысячные мм) более подвержены примесям, чем старые конструкции с более низкими показателями емкости в Ач. В то время как элемент емкостью 1350 мАч в корпусе 18650 мог выдержать испытание на проникновение гвоздем, элемент высокой плотности емкостью 3400 мАч может вспыхнуть во время проведения того же испытания. Новые стандарты безопасности определяют, как использовать аккумуляторы, и испытание UL1642 Underwriters Laboratories (UL) больше не требует проникновения гвоздем для признания литиевых аккумуляторов безопасными.
Чтобы проверить безопасность новой ячейки, производитель может передать 1 миллион образцов в эксплуатацию для наблюдения. Ячейка одобрена для использования в критически важных миссиях, таких как медицинские, если в течение одного года не возникнет никаких сбоев, которые могут поставить под угрозу безопасность. Подобные полевые испытания также распространены с фармацевтической продукцией.
Литий-ионные аккумуляторы, использующие обычные оксиды металлов, приближаются к своему теоретическому пределу удельной энергии. Вместо оптимизации емкости, производители аккумуляторов совершенствуют методы производства, чтобы повысить безопасность и увеличить срок службы. Настоящая проблема заключается в том, что в редких случаях внутри элемента возникает короткое замыкание. Внешние защитные периферийные устройства неэффективны для остановки теплового разгона, когда он уже начался. Аккумуляторы, отозванные в 2006 году, соответствовали требованиям безопасности UL, однако они выходили из строя при нормальном использовании с соответствующими защитными схемами.
Существует два основных типа поломок аккумуляторов. Один случается с предсказуемым интервалом на миллион и связан с конструктивным недостатком, касающимся электрода, сепаратора, электролита или процессов. Эти дефекты часто влекут за собой отзыв для исправления выявленного недостатка. Более сложные поломки — это случайные события, которые не указывают на конструктивный недостаток. Это может быть стрессовое событие, такое как зарядка при температуре ниже нуля, вибрация или случайный инцидент, сравнимый с падением метеорита.
Давайте подробнее рассмотрим внутреннюю работу элемента. Небольшое короткое замыкание вызовет лишь повышенный саморазряд, а накопление тепла минимально, поскольку мощность разряда очень низкая. Если достаточное количество микроскопических металлических частиц сходится в одном месте, между электродами элемента начинает протекать значительный ток, и это место нагревается и ослабевает. Как небольшая утечка воды в неисправной гидроэлектростанции может превратиться в поток и разрушить конструкцию, так же накопление тепла может повредить изоляционный слой в элементе и вызвать короткое замыкание. Температура может быстро достичь 500°C (932°F), и в этот момент элемент вспыхивает или взрывается. Такой тепловой разгон известен как «выход с пламенем». «Быстрая разборка» — это предпочтительный термин в аккумуляторной промышленности.
Неравномерные сепараторы также могут привести к выходу из строя элементов. Плохая проводимость через сухие участки увеличивает сопротивление, что может привести к появлению локальных тепловых пятен, которые ослабляют целостность сепаратора. Тепло всегда является врагом аккумулятора.
Большинство крупных производителей литий-ионных аккумуляторов проверяют каждый элемент рентгеновским путем в рамках автоматизированного контроля качества. Программное обеспечение проверяет аномалии, такие как изогнутые выступы или измельченные желеобразные рулоны. Именно поэтому литий-ионные аккумуляторы сегодня так безопасны, но такие тщательные производственные методы могут быть предложены только известными брендами.
Почему батареи выходят из строя
Качественные литий-ионные аккумуляторы безопасны, если их использовать по назначению. Однако, в потребительских товарах, использующих несертифицированные аккумуляторы, было зарегистрировано большое количество случаев перегрева и пожара, и ховерборд является примером этого. Возможно, эта проблема была решена благодаря использованию сертифицированных литий-ионных аккумуляторов в большинстве современных моделей. Представитель UL на встрече в Вашингтоне, округ Колумбия, заявил, что с момента сертификации литий-ионных аккумуляторов в ховербордах не было зарегистрировано никаких новых случаев перегрева или пожара. Пожары, возникшие в Samsung Galaxy Note 7, были вызваны производственным дефектом, который был исправлен. Главный аккумулятор Boeing 787 Dreamliner также имел дефекты, которые были исправлены.
Неправильное использование всех аккумуляторов включает чрезмерную вибрацию, повышенный нагрев и зарядку литий-ионных аккумуляторов ниже нуля. Литий-ионные и свинцово-кислотные аккумуляторы нельзя полностью разряжать, их необходимо хранить с остаточным зарядом. В то время как никелевые аккумуляторы можно хранить в полностью разряженном состоянии без видимых побочных эффектов, напряжение литий-ионных аккумуляторов не должно опускаться ниже 2 В/элемент в течение любого длительного времени. Внутри элементов образуются медные шунты, которые могут привести к повышенному саморазряду или частичному короткому замыканию. После перезарядки элементы могут стать нестабильными, что вызовет чрезмерный нагрев или другие аномалии.
Считается, что нагрев в сочетании с полным зарядом создает больше нагрузки на литий-ионный аккумулятор, чем обычный циклический заряд. Держите аккумулятор и устройство подальше от солнечного света и храните их в прохладном месте при частичном заряде. Превышение рекомендуемого тока заряда путем сверхбыстрой замены также вредит литий-ионному аккумулятору. Никель-кадмий — единственный химический элемент, который позволяет сверхбыструю зарядку с минимальной нагрузкой.
BMS для литиевых АКБ
Защищает батареи от перезаряда, глубокого разряда, перегрева и сверхвысокого тока
Victron VE.Bus BMS V2 – система управления литиевыми аккумуляторами LiFePO4 Smart
Умная система управления батареями LiFePO4 Smart от Victron
Купить
SmallBMS – BMS для LiFePO4 Smart аккумуляторов Victron
Компактная система управления батареями Victron Lithium Smart (LiFePO4), обеспечивающая базовую защиту аккумуляторов от глубокого разряда, чрезмерного заряда и перегрева.
Купить
Smart BMS CL 12/100 – интеллектуальная защита LiFePO4 батарей в 12В системах от Victron Energy
Совмещает ограничение тока от генератора, Bluetooth-мониторинг, аварийные выходы и модульное взаимодействие с другими устройствами Victron – всё в одном устройстве!
КупитьЛитий-ионные аккумуляторы, которые подверглись нагрузкам, могут функционировать нормально, но они становятся более чувствительными к механическим повреждениям. Ответственность за неисправный аккумулятор несет производитель, даже если неисправность могла быть вызвана неправильным использованием и обращением. Это беспокоит производителей аккумуляторов, и они прилагают дополнительные усилия, чтобы сделать свою продукцию безопасной. Относитесь к аккумулятору как к живому организму, предотвращая чрезмерную нагрузку.
Учитывая, что ежедневно в мире используется более миллиарда мобильных телефонов и компьютеров, количество несчастных случаев невелико. Для сравнения, Национальное управление океанических и атмосферных исследований утверждает, что вероятность попадания молнии в течение жизни составляет примерно 1 к 13 000. Литий-ионные аккумуляторы имеют уровень отказов меньше одного на миллион. Уровень отказов качественного литий-ионного элемента лучше 1 на 10 миллионов.
Промышленные аккумуляторы, такие как те, что используются для электроинструментов, обычно прочнее, чем те, что используются в потребительских товарах. Кроме прочной конструкции, аккумуляторы для электроинструментов максимально повышают мощность и потребляют меньше энергии для длительного времени работы. Элементы питания имеют более низкий номинальный заряд в Ач, чем энергетические элементы, и в целом являются более устойчивыми и безопасными к ненадлежащему использованию.
В статье «Безопасность батарей в общественных местах» рассматриваются вопросы, касающиеся потребительских батарей. Одной из наиболее аварийных батарей являются литий-ионные батареи в форм-факторе 18650 незнакомой марки. Эти батареи, выпускаемые для вейпинга, не имеют такого же качества и безопасности, как батареи известной марки. Литий-ионные батареи безопасны, если изготовлены авторитетным производителем, но было несколько пожаров и травм, связанных с дефектами элементов, которые загорелись во время переноски в одежде и во время путешествия. Пожар на борту заставил самолет WestJet вернуться в аэропорт в 2018 году вскоре после взлета. Горящая батарея электронной сигареты была незаконно помещена в багаж как запасная и зарегистрирована. Грузовой отсек самолета недоступен во время полета, а горящая батарея требует внеплановой посадки. Федеральное управление гражданской авиации США (FAA) зафиксировало 206 инцидентов, связанных с литий-ионными батареями, между 1991 и 2018 годами.
Что делать, когда аккумулятор перегревается или загорается
Если литий-ионный аккумулятор перегревается, шипит или вздувается, немедленно отодвиньте устройство подальше от легковоспламеняющихся материалов и положите его на негорючую поверхность. Если возможно, извлеките аккумулятор и вынесите его на улицу, чтобы он сгорел. Простое отключение аккумулятора от зарядки может не остановить его разрушительный процесс.
Небольшой пожар литий-ионного аккумулятора можно потушить, как и любое другое горючее вещество. Для лучшего результата используйте пенный огнетушитель, 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 реагирует с водой. Вода также охлаждает соседнюю зону и предотвращает распространение огня. Исследовательские лаборатории и заводы также используют воду для тушения пожаров литий-ионных аккумуляторов.
Экипаж не имеет доступа к грузовым отсекам пассажирского самолета во время полета. Для обеспечения безопасности в случае пожара самолеты полагаются на системы пожаротушения. Галон является распространенным огнетушителем, но этого агента может быть недостаточно для тушения пожара литий-ионного аккумулятора в грузовом отсеке. Испытания FAA показали, что противопожарный газ галон, установленный в грузовых отсеках авиакомпаний, не может потушить пожар аккумулятора, который сочетается с другими легковоспламеняющимися материалами, такими как газ в аэрозольном баллончике или косметика, которую обычно носят с собой путешественники. Однако система предотвращает распространение пламени на соседние легковоспламеняющиеся материалы, такие как картон или одежда.
С увеличением использования литий-ионных аккумуляторов были разработаны усовершенствованные методы тушения литиевых пожаров. Огнетушитель на основе водной вермикулитовой дисперсии (AVD) рассеивает химически расслоенный вермикулит в виде тумана, что имеет преимущества перед существующими продуктами. Огнетушители AVD доступны в аэрозольном баллончике объемом 400 мл для небольшого пожара, канистре AVD для складов и заводов; 50-литровой системе тележек AVD для крупных пожаров и модульной системе, которую можно перевозить на пикапе.
Extover® — это еще одно огнетушащее средство, которое эффективно подавляет и тушит горящие литий-ионные аккумуляторы, минимизируя повреждение окружающей зоны путем изоляции источника огня. Легкий и сыпучий стеклянный заполнитель можно наносить на горящую батарею вручную, ведром или лопатой. Размер зерен варьируется от 0,04 мм до 2 мм для различных применений. Extover® позволяет батарее безопасно сгорать, образуя однородное покрытие, поскольку горящую литий-ионную батарею нелегко потушить. Extover® не содержит химических веществ, изготовлен из 100% переработанных материалов и подходит для малых и больших аккумуляторов. Материал можно использовать повторно, если он чистый.
Легкодоступным и эффективным огнезащитным средством является песок, хранящийся в огнеупорной упаковке. В случае пожара горящую батарею перемещают в упаковку и покрывают песком, чтобы обеспечить контролируемое выгорание. Песок также можно набрасывать на горячую батарею, чтобы предотвратить распространение огня. Песок примерно в три раза тяжелее Extover®, изготовленного из стекловолокна.
Большой пожар литий-ионных аккумуляторов, например, в электромобиле, может потребовать догорания. Можно использовать воду с медным материалом, но это может быть недоступно и дорого стоит для пожарных станций. Все чаще эксперты советуют использовать воду даже при больших пожарах литий-ионных аккумуляторов. Вода снижает температуру горения, но не рекомендуется для пожаров аккумуляторов, содержащих литий-металлические элементы.
Исследование IdTechEx показывает, что 17% пожаров в электромобилях случаются во время обычного вождения; 25% во время зарядки; 20% в результате аварии; и 4% из-за чрезмерного контакта аккумулятора с воздухом или водой. В отчете говорится, что пожары в электромобилях являются более серьезными, чем в обычных автомобилях с двигателями внутреннего сгорания. Для тушения пожара в Tesla Model S потребовалось почти 30 000 галлонов (более 100 000 литров) воды из-за повторного возгорания и непрерывного горения в течение четырех часов. Для сравнения, типичный пожар в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания можно потушить примерно 300 галлонами (>1000 литров) воды. Средства борьбы с пожарами в электромобилях часто заключаются в изменениях программного обеспечения, чтобы снизить емкость аккумулятора до 90%. Также случались редкие производственные дефекты в элементах. IDTechEx ожидает более жестких правил проектирования с использованием более огнестойких материалов.
В случае пожара, вызванного литий-металлическим аккумулятором, используйте только огнетушитель класса D. Литий-металл содержит много лития, который реагирует с водой и усиливает пожар. С ростом количества электромобилей должны меняться и методы тушения таких пожаров.
Во время теплового взрыва высокая температура неисправного элемента внутри аккумуляторного блока может распространяться на следующие элементы, что приводит к их термической нестабильности. Может возникнуть цепная реакция, во время которой каждый элемент распадается по собственному графику. Таким образом, блок может быть уничтожен за несколько секунд или в течение нескольких часов, поскольку каждый элемент расходуется. Для повышения безопасности, аккумуляторные блоки должны содержать разделители, чтобы защитить неисправный элемент от распространения на соседний. На рисунке 1 показан ноутбук, поврежденный неисправным литий-ионным аккумулятором.
Рисунок 1: Литий-ионный аккумулятор, который, вероятно, разрушил ноутбук
Газ, выделяющийся при вентиляции литий-ионного элемента, в основном является углекислым газом (CO₂). Другие газы, образующиеся в результате нагрева, — это парообразный электролит, состоящий из фтористого водорода (HF) от 20 до 200 мг/Вт⋅ч, и фторида фосфора (POF₃) от 15 до 22 мг/Вт⋅ч. Горящие газы также включают продукты горения и органические растворители.
Знания о токсичности горящего электролита ограничены, и токсичность может быть выше, чем у обычных горючих веществ. Проветрите помещение и освободите его, если присутствует дым и газы. Газ и дым в замкнутом пространстве, таком как самолет, подводная лодка и шахта, представляют потенциальную угрозу для здоровья.
Хотя литиевые аккумуляторы тщательно исследуются на предмет безопасности, никелевые и свинцовые аккумуляторы также вызывают пожары и отзываются из обращения. Причинами являются неисправные сепараторы, возникающие в результате старения, небрежного обращения, чрезмерной вибрации и высокой температуры. Литий-ионные аккумуляторы стали очень безопасными, а связанные с нагревом сбои случаются редко, если их правильно использовать.
