Меню

Литий ионный аккумулятор пожароопасность

Почему взрываются аккумуляторы

Почему взрываются аккумуляторыПользователи смартфонов и планшетов конечно знают о проблеме взрывоопасности литиевых аккумуляторов своих гаджетов. И за яркими примерами далеко ходить не приходится. Недавно, например, компания Самсунг столкнулась с наболевшей проблемой лично, и была вынуждена отозвать первую серию нового Note 7, поскольку аккумуляторы взрывались прямо в процессе зарядки. Так или иначе, проблема остается таковой с начала появления сотовых телефонов, ИКАО даже в 2016 году запретила к перевозке в грузовых отсеках гражданского транспорта коммерческие партии литиевых аккумуляторов.

Суть проблемы с литиевыми аккумуляторами

Дело в том, что в процессе заряда литиевого аккумулятора в мобильном устройстве, при помощи встроенного в аккумулятор микроконтроллера реализуется довольно сложный алгоритм осуществления этого процесса, чтобы температура батареи не выходила бы за пределы приемлемого температурного диапазона. Контроллер отслеживает для этой цели многие параметры батареи в процессе ее зарядки.

Кроме непосредственно процесса зарядки, хранение аккумулятора тоже требует соблюдения некоторых правил, особенно касательно температуры: нельзя ни перегревать, ни переохлаждать аккумулятор.

Суть проблемы с литиевыми аккумуляторами

Основная проблема, приводящая к взрыву аккумуляторов — это чрезмерный разогрев электролита из-за превышения допустимой температуры или вследствие короткого замыкания внутри аккумуляторной ячейки. Цепная реакция легко инициируется внутри перегревшейся ячейки, ведь щелочной металл литий очень легко воспламеняется, вследствие чего батарея вздувается и в худшем случае — взрывается.

И даже несмотря на наличие «внимательного» контроллера, случайный заводской брак (недостаточная толщина изолятора между ячейками) может иметь место и привести к печальным последствиям.

Конечно опасны удары, пробои, проколы, перегрев на солнце. Даже если батарея упала и слегка ударилась, внутри может произойти нарушение изолятора, и в дальнейшем это возможно приведет к внезапной неприятности, даже без явного перегрева.

Причина взрывоопасности литиевых аккумуляторов

Анод и катод литий-ионного аккумулятора разделены сепаратором из пористого полимера. Катод имеет на себе активный материал, в качестве которого зачастую применяют оксиды переходных металлов, в которые встроены ионы лития. Анод, как правило, графитный. Органический раствор солей лития используется в качестве электролита.

При первой зарядке на заводе, литий встраивается в анод и на электродах образуется слой разложившегося электролита, который теперь служит защитой от лишних реакций, оставаясь при этом ион-проводящим.

Причина взрывоопасности литиевых аккумуляторов

Как отмечалось выше, внутреннее короткое замыкание — одна из основных причин самовозгорания аккумулятора. Причиной же самого короткого замыкания может стать физическое повреждение или заводской брак, типа неровной нарезки электродов или попадания металлических частиц между катодом и анодом, которые нарушают целостность слоя сепаратора.

Еще одна причина замыкания — прорастание цепочек металлического лития через сепаратор (если ионы лития еще на заводе не успели до конца встроиться в кристалл анода из-за чрезмерно быстрой зарядки или от переохлаждения, либо если емкость активного материала катода больше емкости анода, что приводит к отложениям на аноде, которые потом медленно, но неумолимо растут).

Так вот, если короткое замыкание произошло, то температура аккумулятора начинает подниматься, и при достижении 70-90°C начинается разложение защитного ион-проводящего слоя анода. Литий анода реагирует с электролитом, при этом выделяются горючие углеводороды, такие как этилен, метан, этан и т. д. Но до возгорания еще рано, ведь не хватает кислорода.

Между тем экзотермическая реакция идет и температура растет, давление внутри корпуса аккумулятора повышается. При 180-200°C начинается реакция диспропорционирования на катоде, где и выделяется кислород. Происходит воспламенение, температура резко повышается, а электролит термически разлагается, температура уже 200-300°C.

Наконец, наступает очередь графита, и с достижением температуры в 660°C начинает плавиться алюминий токоприемника. Максимальная температура во всем этом процессе обычно не успевает превысить 900°C, поскольку все быстро заканчивается полным разложением внутренних компонентов аккумулятора.

Взрыв аккумулятора

Уже есть успехи в поисках решения проблемы

Для решения проблемы производителям смартфонов можно ужесточить регулирование, сделать дополнительные предохранители в аппаратах и в аккумуляторах, усложнить контроллеры, однако это приведет к удорожанию аккумуляторов и всей продукции, в комплекте с которой аккумулятор продается. Компании конкурируют между собой, и просто экономически не могут пойти на это.

А тем временем за безопасность литиевых аккумуляторов борются физики из Стенфорда, которые еще летом 2015 года разработали специальный защитный механизм, встраиваемый в аккумулятор уже на стадии производства.

По сути речь идет о новом виде литиевых батарей, которые автоматически отключаются при достижении их внутренностями потенциально опасной температуры (что и предотвращает процесс, приводящий к последующему возгоранию), а через некоторое время, после остывания, автоматически включаются вновь.

Авторы разработки утверждают, что это первая литиевая батарея, которая сможет многократно отключаться и восстанавливаться без потери своих свойств и рабочих характеристик.

Разработка велась несколько лет коллективом из нескольких человек (в числе которых Чженань Бао), в итоге получилась батарея, лишенная двух главных недостатков — резкого снижения емкости аккумулятора после нескольких циклов перезаряда и, что более важно, склонности к возгораниям и взрывам из-за перегрева (цепная реакция автоматически останавливается).

Решение пришло к ученым совсем из другой области физики. Они делали термометры используя наночастицы никеля, встроенные в тонкий лист из графена и пластика. Это были необычные термометры. В покое частицы никеля друг с другом соприкасались, то есть получался хороший проводник тока. Но когда лист разогревался, пластик начинал немного расширяться, что приводило к ослаблению контакта между проводящими никелевыми частичками, и сопротивление всего проводника возрастало.

Вот это свойство и применили исследователи из Стенфорда для мгновенной автоматической защиты литиевых батарей и для полного автоматического восстановления контакта после остывания. Они приклеили лист такого пластика к одному из электродов батареи, чтобы он терял проводимость с ростом температуры. И когда температура достигает 70°C

Современный мобильный телефон

Но несмотря на найденное решение, производители мобильных устройств все равно не решаются резко менять наработанную годами технологию производства своих аккумуляторов. Поэтому пользователям гаджетов придется еще на некоторое время смириться с наличием потенциальной опасности литиевых батарей, и стараться не ронять и не перегревать свои мобильные устройства, а тем более аккумуляторы. Возможно в скором будущем проблема будет полностью решена.

Источник

Литий ионный аккумулятор пожароопасность

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

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.

Читайте также:  Аккумулятор для Mitsubishi ASX 1 бензин 1 8 140 л с рестайлинг 2012 2016

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 загорелся аккумулятор

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

Пожароопасность литиевых аккумуляторов

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.

Устройство li-ionаккумулятора фото

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).

Вид платы безопасности для li-ion аккумулятора фото

    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.

    Защитный клапан против возгорания на аккумуляторе фото

    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.

    LTO аккумулятор пожаробезопасного типа фото

    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.

    Вид аккумулятора после пожара фото

    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.

    Читайте также:  Зарядка АКБ в Северодвинске RSS

    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.

    Тушение аккумулятора в электротранспорте фото

    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

    

    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.
    • Li-pol.
    • LiFePO4.
    • LTO.

    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 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.

    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.

    Читайте также:  Сборка lifepo4 аккумуляторов 32700

    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

    Безопасность литий-ионный аккумуляторов

    Литий-ионные аккумуляторы на сегодняшний день пользуются особой популярностью у юзеров, но мало кто из них знает, что данные элементы можно довольно легко испортить если обращаться с ними не надлежащим образом. Конечно, производители сделали всё возможное, чтобы таким источникам энергии было практически не возможно нанести вред, но есть некоторые нюансы, которые должен знать любой уважающий себя пользователь. В связи с этим, я хочу осветить в теме кое-какие вопросы безопасности касающиеся Li-ion аккумуляторов.

    Параметры безопасности литий-ионных батарей

    Электронакопители в которых применяются литий-ионные элементы, нуждаются в обязательном наличии интегрированной системы защиты. Параметры безопасности Li-ion элементов и АКБ регламентируемые стандартом IEC 62133 должны соответствовать таким требованиям:

    ✅ Должна быть встроенная система переключения положительного коэффициента для защиты от недопустимо высокого тока.

    ✅ Должно быть устройство прерывания электроцепи при превышении показателя внутреннего давления элемента в 1000 кПа.

    ✅ Должен быть клапан, который будет сбрасывать излишки давления, когда оно превысит отметку в 3000 кПа.

    ✅ Должна быть возможность плавления сепаратора для замедления ионного потока при превышении определённого температурного порога.

    Система безопасности отвечает за предохранение элементов от повышенного напряжения зарядки, как правило, это около 4,3 V. Помимо этого, предохранитель будет отсекать ток, если температура оболочки элемента приблизится к 90 градусам. В Li-ion батареях имеет место и защита от избыточного разряда, которая отключает питание при показателе напряжения элемента в 2,2 V.

    Каждый компонент в аккумуляторной батарее нуждается в независимом контроле напряжения и чем больше этих самых компонентов, тем более сложная система защиты должна обслуживать данный источник питания. Продолжительное время последовательное подсоединение 4-х элементов в потребительских устройствах было максимальным, поэтому и системы защиты для подобной схемы сложностью не отличались.

    Но такие современные девайсы как электромобили, требуют значений напряжения в несколько сотен Вольт. Соответственно, имеет место соединение весьма большого количества элементов, для которых в свою очередь требуется довольно сложная система защиты. Аппаратная система безопасности может защитить электронакопитель от стороннего воздействия — короткого замыкания либо неисправности ЗУ.

    В том случае, если неприятности проявляются внутри элемента, к примеру, если произошло загрязнение микроскопическими частицами, то система безопасности здесь остаётся практически не при делах. Для нейтрализации внутренних дефектов создаются специальные усиленные и самовосстанавливающиеся сепараторы, которые уже сегодня можно обнаружить в батареях электрокаров. Однако у них имеется один минус — довольно высокая цена.

    Как правило, Li-ion элемент разряжается до 3 V, предельным же нижним значением напряжения является показатель 2,5 V и при его дальнейшем понижении, будет срабатывать система безопасности — элемент отключится от общей цепи. Специалисты не советуют хранить литий-ионный источник энергии в таком состоянии, по той причине, что самостоятельный разряд батареи повлечёт за собой дальнейшее падение напряжения и система безопасности может перевести его в «спящий режим». Что в этом плохого? Тут вся проблем в том, что большинство ЗУ не могут заряжать «спящие» элементы.

    К сожалению, некоторые дешёвые ЗУ, полагаются исключительно на схему защиты заряжаемого Li-ion электронакопителя и если она будет работать неадекватно, то может образоваться угроза перезарядки и даже выхода из строя АКБ. В связи с этим, крайне важно использовать зарядную аппаратуру с надлежащими алгоритмами зарядного процесса, только так вы сможете в максимальной степени обеспечить безопасность литий-ионной батарее при её зарядке.

    Ещё одна неприятность, которая может поджидать Li-ion аккумулятор — воздействие на него статического электричества. Вся проблема в том, что когда такое происходит, может выключиться твёрдотельный переключатель и накопитель попросту лишится защиты. Кстати сказать, теплообразование и набухание необязательно должны являться сопроводителями короткого замыкания в АКБ — возгорание либо взрыв могут состояться и без наличия приведённых симптомов.

    Дешёвые и низкокачественные литий-ионные аккумуляторы из Китая

    Это настоящий бич! Конечно, смешные ценники привлекают массу народа, вот только что люди получают за такие деньги? Ведь реально, адекватное соответствие этого товара стандартам безопасности — сомнительно!

    На приведённом ниже изображении показаны такие «изобретения», они взорвались в пассажирском самолёте перед взлётом:

    Печальное событие, не правда ли? Но в то же время, предприимчивые производители литий-ионной продукции не любят применять слово «взрыв» — «тепловой пробой» — так-то лучше будет! Причина этому проста: «тепловой пробой» является более медленным и контролируемым процессом по сравнению с традиционным взрывом. Но, такие «пробои» тоже могут в значительной степени повредить аппаратуру.

    Роль сепаратора в Li-ion аккумуляторах

    Отдельно стоит поговорить о сепараторах АКБ, ведь они очень сильно влияют не безопасность элементов питания.

    Итак, в Li-ion батареях предназначенных для широких масс, в качестве сепаратора используется полиолефин. Он демонстрирует превосходные механические свойства, достойную химическую стабильность, также данный материал отличается не высокой ценой.

    Сепаратор для Li-ion электронакопителя должен быть проницаемым и иметь в своём распоряжении поры размером 30-100 нанометров. Этот показатель обеспечит достаточный объём жидкого электролита, и даст возможность перекрывать поры при перегреве батареи.

    При повышенных температурах функционирование накопителя электроэнергии прекращается, так как из-за плавления сепаратора перекрываются поры. Сепаратор изготовленный из полиэтилена начинает плавиться при температуре 130 градусов — это останавливает транспортировку ионов, эффективно выключая АКБ. Если бы сепаратор не обладал таким свойством, то температура повышалась бы себе спокойно дальше, доходя до уровня теплового пробоя. Такие «закипания» могут привести к возгоранию или даже взрыву.

    Свойства сепаратора помогают Li-ion АКБ проходить различные тесты безопасности, включающие в себя имитацию высоты, тепловое воздействие, вибрации, удары, внешнее КЗ, перезарядки и принудительный разряд.

    Что делать в случае перегрева литий-ионного электроаккумулятора

    Если вы заметили, что Li-ion подвергся перегреву, шипит, да ещё и вздутие имеет место, не медля уберите изделие подальше от легковоспламеняющихся материалов. Лучше всего будет извлечь «бомбочку» и транспортировать её на улицу.

    При лёгком воспламенение Li-ion источника питания, к нему нужно применить стандартные противопожарные меры. Можно пустить в ход пенный огнетушитель, но в принципе, подойдёт любой другой, к примеру, наполненный углекислотой или порошком.

    В случае возникновения пожара на борту самолёта, используются специальные инструкции, позволяющие экипажу применять любые доступные средства, в том числе и воду. Что касается последней, то тушить ею горящие литий-ионные электробатареи дозволяется, так как Li-ion содержат весьма скромный объём вступающего в бурную реакцию с водой металлического лития. Кроме того, вода способствует охлаждению области возгорания и не даёт пламени распространяться дальше.

    Серьёзное же горение литий-иона, такое например, как в электрокаре, тушить при помощи воды неэффективно — там нужны совсем другие средства.

    По ходу теплового пробоя, экстремальная температура дефектного компонента может распространиться на соседние — происходит цепная реакция так сказать. Таким образом, весь электронакопитель может быть уничтожен за считанные секунды. Чтобы повысить безопасность в АКБ, её элементы должны быть разделены специальными разделителями, препятствующими распространению опасной температуры.

    При тепловом пробое, можно наблюдать интенсивное газообразование, в котором во главе угла стоит углекислый газ. Кроме того, имеет место выброс продуктов горения вследствие влияния высокой температуры. Улетучиваются этилен и пропилен, содержащиеся в составе электролита, а также органические растворители.

    Следует отметить, что безопасность современных Li-ion накопителей энергии находится на довольно высоком уровне, поэтому тепловой пробой при адекватной эксплуатации явление довольно редкое. Но несмотря на такое положение дел, ситуации возгорания Li-ion электроаккумуляторов сразу становятся достоянием общественности, в отличие от случаев воспламенения других разновидностей батарей.

    К неприятностям с электронакопителем может привести износ сепаратора, неосторожное обращение либо же критическое воздействие температуры или вибрации.

    Ну что же, настало время подвести итоги по теме.

    ⛔ Будьте осторожны при работе и тестировании литий-ионных аккумуляторных батарей.

    ⛔ Нельзя допускать КЗ, перезарядку, сдавливание, падение, проникновение внутрь посторонних предметов, использование обратной полярности, воздействия повышенной температуры на АКБ.

    ⛔ Не разбирайте аккумуляторную батарею.

    ⛔ Пользуйтесь только оригинальными Li-ion накопителями энергии и ЗУ.

    ⛔ Если проявляет себя перегрев, нужно немедленно прекратить эксплуатацию АКБ и/или ЗУ.

    ⛔ Вещество электролита является легковоспламеняемым, поэтому возгорание или взрыв батареи могут повлечь за собой травмы пользователя.

    ⛔ При тушении загоревшейся Li-ion АКБ нужно использовать огнетушители с такими наполнителями как пена, углекислота, порошкообразный графит. Воду желательно пускать в ход только для сдерживания распространения огня.

    ⛔ Если возникла крайне критическая ситуация и потушить огонь невозможно, дайте источнику энергии сгореть самостоятельно, контролируемо и безопасно.

    Источник