Как предотвратить возгорание литий-ионных аккумуляторов

С распространением литий-ионных аккумуляторов на современном рынке кажется, что куда ни посмотри — везде появляется новое устройство, использующее эту технологию. От автомобилей, электровелосипедов и электросамокатов до аккумуляторных электроинструментов, радиоприемников, фонарей и, конечно же, мобильных телефонов — они используются повсеместно. Поэтому неудивительно, что одновременно увеличилось и количество пожаров, вызванных литий-ионными аккумуляторами.

Что еще хуже — такие пожары начинаются без предупреждения и могут причинить чрезвычайно серьезный ущерб. Как можно увидеть в новостях и социальных сетях, пожары литий-ионных аккумуляторов бывают крайне интенсивными и даже сопровождаются взрывами. Это явление известно как тепловой разгон и может иметь катастрофические последствия.

Проблема усугубляется тем, что в настоящее время отсутствуют специальные нормативные требования или противопожарные нормы именно для литий-ионных аккумуляторов (хотя они находятся в стадии разработки).

Прежде всего необходимо понять, что происходит внутри аккумулятора.

При нормальной работе ионы лития (отрицательно заряженные атомы) перемещаются между катодом и анодом через структуру, называемую сепаратором. Катод (+) и анод (-) представляют собой внутренние элементы, обычно пластины, изготовленные из различных металлов. Одна пара катод/анод называется «ячейкой».

В мобильных телефонах обычно используется одна ячейка, тогда как аккумуляторы для электроинструментов могут содержать до 20 ячеек. В электромобилях могут использоваться сотни ячеек.

Энергия проходит через каждую ячейку, поэтому каждая из них представляет потенциальную опасность.

Ячейки заключены в корпус аккумулятора, например цилиндрический корпус или мягкий пакет, и погружены в химические вещества, называемые электролитами.

При подключении к электрической нагрузке движение ионов высвобождает энергию и питает электроинструменты, телефоны и компьютеры.

Однако, как и любые устройства хранения энергии, например топливные баки или баллоны с пропаном, литий-ионные аккумуляторы также могут выйти из строя.

Большинство стандартных литий-ионных аккумуляторов от надежных производителей, соблюдающих строгие стандарты производства и контроля качества, безопасны при правильной эксплуатации. Однако проблемы возникают при неправильном использовании или откровенном злоупотреблении аккумулятором. В конце концов, пользователи — люди и могут ошибаться.

После многократного неправильного обращения аккумулятор (точнее, сепаратор) может быть поврежден и стать подверженным тепловому разгону.

При нормальной работе литий-ионного аккумулятора перенос ионов между катодом и анодом сопровождается выделением небольшого количества тепла. Это тепло поглощается корпусом аккумулятора и рассеивается в окружающий воздух посредством конвекции.

Однако если выделяемое тепло превышает способность аккумулятора его рассеивать — из-за повреждения или неправильной эксплуатации — может начаться цепная реакция, вызывающая экстремальный рост температуры, который приводит к возгоранию и потенциальному взрыву.

Когда литий-ионный аккумулятор входит в состояние теплового разгона и взрывается, возникают чрезвычайно высокие температуры и мощное пламя.

Помимо очевидных разрушений от взрыва, тепловой разгон может привести к срабатыванию спринклерной системы и затоплению производственного помещения либо к воспламенению находящихся рядом горючих материалов.

Кроме того, при тепловом разгоне выделяется большое количество токсичных газов и дыма.

Если говорить о предотвратимых причинах теплового разгона, существует три основные категории:

- механическое повреждение;
- тепловое воздействие;
- неправильная эксплуатация.

Хотя эти причины возникают из-за ошибок пользователя, существует еще одна — недостаточное качество самого аккумулятора.

Как следует из названия, речь идет о физическом воздействии на аккумулятор. Падение, раздавливание и удары являются примерами механических повреждений.

При серьезном повреждении сепаратор может деформироваться или разорваться.

Если сепаратор поврежден, возникает вероятность внутреннего короткого замыкания (контакта катода и анода), вызывающего быстрое нагревание и последующий тепловой разгон.

Другой вид неправильной эксплуатации связан с экстремальными температурами.

Практически все аккумуляторы имеют рекомендуемый диапазон температур эксплуатации и хранения, и крайне важно соблюдать эти пределы.

При перегреве сепаратор может разрушиться, что также создает условия для внутреннего короткого замыкания и теплового разгона.

Обычно при нормальном использовании это не представляет проблемы, однако в жарком климате очень легко превысить спецификации производителя.

Представьте аккумуляторную дрель или электронную сигарету, оставленные летом в июле в раскаленном салоне автомобиля в Сочи или Астрахани.

Третья причина теплового разгона возникает при постоянной перезарядке аккумулятора или использовании несовместимого зарядного устройства.

Даже при использовании «умных» зарядных устройств, отключающихся при достижении аккумулятором уровня заряда (SOC) 100 %, существует вероятность повреждения.

В этом случае со временем могут образоваться микроскопические структуры, называемые дендритами.

Подобно одноименным отросткам нервных клеток мозга, дендриты постепенно разрастаются и при достаточном росте способны проколоть сепаратор.

Повреждение сепаратора вновь приводит к короткому замыканию и тепловому разгону.

Широко доступные неоригинальные аккумуляторы могут не соответствовать тем же стандартам качества и конструкции, что и оригинальные аккумуляторы производителя оборудования (OEM), поэтому они более подвержены тепловому разгону.

Ситуация усугубляется тем, что такие аккумуляторы нередко используются с оригинальными зарядными устройствами, для которых они не предназначены.

Поскольку неоригинальные аккумуляторы обычно значительно дешевле оригинальных, они весьма привлекательны с коммерческой точки зрения и получили широкое распространение.

По данным аналитиков, именно по этой причине число пожаров, связанных с аккумуляторами, продолжает расти.

Из всех перечисленных причин именно производственные дефекты аккумуляторов чаще всего становятся причиной теплового разгона.

Даже такая мелочь, как крошечная металлическая частица, попавшая внутрь корпуса аккумулятора, или конструктивный дефект защитной схемы, предотвращающей перезарядку, может привести к отказу аккумулятора.

Независимо от причины отказа, запускается цепная реакция, которая в конечном итоге приводит к возгоранию.

Литий-ионный аккумулятор обычно проходит четыре стадии отказа.

Хотя точный процесс зависит от причины неисправности, как правило, он включает следующие этапы.

1. Повреждение (неправильная эксплуатация).

Отказ начинается с электрического, теплового или механического воздействия, описанного выше, при условии, что аккумулятор был изготовлен надлежащим образом. Причиной также может стать конструктивный дефект.

2. Выделение газов.

После повреждения электролит начинает испаряться и выделять горючие газы. По мере их накопления внутренняя температура и давление аккумулятора возрастают.

3. Появление дыма.

По мере разрушения аккумулятора происходит короткое замыкание между катодом и анодом. Энергия начинает быстро проходить через аккумулятор, повышая температуру более чем до 260 °C, в результате чего из него начинает выходить дым.

Дым состоит из испарившегося электролита, является горючим и сигнализирует о начале теплового разгона.

Поскольку тепловой разгон представляет собой цепную реакцию, одна перегретая ячейка вызывает перегрев соседней до тех пор, пока не выйдут из строя все ячейки аккумулятора.

Процесс может распространиться и на другие аккумуляторы, находящиеся рядом.

4. Возгорание.

Последняя стадия — пожар.

Возгорание может начаться как до, так и после наступления теплового разгона, сопровождаясь пламенем или взрывом, если сначала произошел тепловой разгон.

В любом случае после появления горючего дыма аккумулятор почти неизбежно перейдет к стадии пожара и воспламенит находящиеся рядом горючие материалы.

Даже среди литиевых аккумуляторов существует множество различных химических составов, каждый из которых обладает собственными характеристиками.

К таким характеристикам относятся:
- номинальное напряжение постоянного тока;
- скорость зарядки и разрядки;
- срок службы;
- удельная энергия (емкость).

Разные типы аккумуляторов лучше подходят для различных областей применения (например, одни лучше подходят для электромобилей, а другие — для аккумуляторного инструмента).

Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных типов литиевых аккумуляторов и соответствующие им пороговые температуры теплового разгона:

Тепловой разгон создает уникальную и крайне опасную ситуацию для пожарных.

Если аккумулятор полностью разрушился, стандартные методы пожаротушения могут оказаться неэффективными.

При обычном горении горючих жидкостей и материалов применяется концепция «треугольника огня».

Его три составляющие:
- источник воспламенения;
- воздух (кислород);
- горючее.

Удаление любого из этих компонентов приводит к прекращению горения.

Обычные переносные порошковые огнетушители тушат пожар, «удушая» процесс горения и устраняя доступ кислорода. Однако при пожарах литий-ионных аккумуляторов это не работает, поскольку они способны поддерживать горение самостоятельно. Химические процессы в электролите выделяют горючие газы и собственный кислород, поэтому аккумулятор продолжает гореть до полного исчерпания источника топлива.

Если вы когда-либо видели, как пожарные тушат электромобиль огромным количеством воды, то они на самом деле не пытаются полностью погасить огонь.

Их задача — максимально охладить аккумулятор, чтобы не допустить дальнейшего повышения температуры, распространения пожара и дополнительных повреждений.

Кроме того, даже полностью «выгоревшие» аккумуляторы могут сохранять небольшой уровень заряда (SOC), которого достаточно для повторного возгорания спустя несколько дней после первоначального происшествия.

Это существенно усложняет их транспортировку и утилизацию.

Теперь, когда мы лучше понимаем причины теплового разгона и последующих пожаров, что можно сделать для снижения риска или даже предотвращения подобных происшествий?

Некоторые простые и разумные рекомендации достаточно легко соблюдать. Но, как и в случае с ежедневной чисткой зубов, важно помнить о необходимости делать это регулярно.

1. Не допускайте перегрева.

Не позволяйте аккумуляторам выходить за пределы допустимого температурного диапазона. Хранение и эксплуатация при рекомендованной температуре помогут избежать опасной зоны.

2. Будьте внимательны.

Не оставляйте аккумуляторы без присмотра во время зарядки.

Обычно литий-ионный аккумулятор наиболее уязвим именно во время зарядки или разрядки (использования).

Очень часто аккумулятор остается подключенным к зарядному устройству на несколько часов или даже на всю ночь без какого-либо контроля.

Избегая подобных ситуаций, можно значительно снизить риск того, что тепловой разгон приведет к воспламенению окружающих материалов.

3. Регулярно осматривайте аккумуляторы.

При появлении любых признаков повреждения (вздутие корпуса, чрезмерный нагрев, видимые повреждения) немедленно прекратите использование и обратитесь в местный пункт переработки аккумуляторов для правильной утилизации.

4. Не смешивайте разные типы аккумуляторов.

При хранении нескольких аккумуляторов в одном месте не храните вместе аккумуляторы разных химических типов.

Как и в случае хранения горючих химических веществ, несовместимые материалы не должны находиться рядом из-за возможных опасных взаимодействий.

Литий-ионные аккумуляторы следует хранить отдельно от других типов, например от свинцово-кислотных аккумуляторов, используемых в автомобилях, мотоциклах и садовой технике.

Свинцово-кислотные аккумуляторы известны выделением газов, обладающих коррозионными свойствами.

Контакт этих газов с литий-ионными аккумуляторами может вызвать коррозию и внутреннее короткое замыкание, приводящее к тепловому разгону.

5. Обеспечьте безопасное место хранения.

При зарядке или хранении литий-ионных аккумуляторов используйте специальные защитные шкафы или контейнеры, рассчитанные на возможное возникновение теплового разгона, и размещайте их вдали от горючих материалов.

Хотя соответствующие нормативы и правила пока еще не разработаны, уже сегодня следует использовать существующие решения для безопасного хранения.

Практически все перечисленные рекомендации можно реализовать с помощью подходящего шкафа для хранения аккумуляторов.

Шкафы для литий-ионных аккумуляторов от Васт Волт представляют собой хорошо продуманное инженерное решение.

Конструкция шкафа для безопасной зарядки литий-ионных аккумуляторов позволяет одновременно безопасно заряжать несколько АКБ.

Такой защитный шкаф является одним из немногих решений на рынке, способных предотвратить дорогостоящие и серьезные последствия неожиданных пожаров литий-ионных аккумуляторов.

Поэтому, пока государственные органы и технические комитеты разрабатывают стандарты и правила безопасности, каждый из нас может внести свой вклад в снижение присущих литий-ионным аккумуляторам рисков, защищая людей, имущество и окружающую среду с помощью этого простого и эффективного решения.