5 основных причин возгорания литий-ионных аккумуляторов — ION Energy

Безопасность литий-ионных аккумуляторов

Важность безопасности аккумуляторов

портативный видеорегистратор. Сегодня все, что вы видите, питается от аккумуляторов, от смартфонов до электромобилей и даже Международной космической станции, что делает повышение безопасности аккумуляторов еще более важным.

В 2008 году Tesla представила Roadster, став первой автомобильной компанией, выпустившей на рынок электромобиль с батарейным питанием. Ожидается, что к 2025 году мировой рынок литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов достигнет 100,4 млрд долларов США, более 50% которых будет использоваться для автомобильного рынка.

Почему такое увлечение литий-ионными?

Литий-ионные батареи популярны из-за того, какую мощность они могут выдавать при заданном размере и весе. Типичная литий-ионная батарея хранит 150 ватт-часов электроэнергии в 1 килограмме батареи по сравнению с NiMH аккумуляторной батареей (100 ватт-часов на кг) или свинцово-кислотной батареей (25 ватт-часов на кг). Для хранения в свинцово-кислотной батарее того же количества энергии, которое может выдержать 1-килограммовая литий-ионная батарея, требуется 6 кг.

Однако литий-ионные батареи чрезвычайно чувствительны к высоким температурам и легко воспламеняются. Эти аккумуляторные блоки изнашиваются намного быстрее, чем обычно, из-за нагревания. Если литий-ионный аккумулятор выйдет из строя, он воспламенится и может нанести значительный ущерб. Это требует немедленных мер и рекомендаций по безопасности аккумуляторов.

В последнее время было несколько случаев возгорания литий-ионных аккумуляторов. 8 января 2019 года самовозгорание литий-ионной батареи привело к пожару на судне COSCO Pacific в Аравийском море. В апреле прошлого года на объекте APS в Аризоне взорвалась батарея мощностью 2 МВт, ранив четырех пожарных.

Ханс-Отто Шервен, глава пожарной службы Вестфолда, сказал, что перезаряжаемые литиевые батареи могут вызывать «пожары, которые трудно потушить, а батареи излучают огонь, который быстро распространяется». По мере распространения электромобилей количество таких инцидентов будет увеличиваться.

Прежде чем анализировать, почему загораются литий-ионные аккумуляторы, давайте разберемся, как они работают.

Блок литий-ионных аккумуляторов состоит из литий-ионных элементов, объединенных в модули, датчиков температуры, ответвлений напряжения и бортового компьютера (система управления батареями) для управления отдельными элементами. Как и любой другой элемент, литий-ионный элемент имеет положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод) и химическое вещество, называемое электролитом между ними. В то время как анод обычно изготавливается из графита (углерода), для катода используются различные литиевые материалы – оксид лития-кобальта (LCO), литий-никель-марганец-кобальт (или NMC) и т. д.

Когда на элемент подается зарядный ток , ионы лития перемещаются от катода к аноду через электролит. Электроны также текут, но выбирают более длинный путь вне цепи. Во время разряда происходит противоположное движение, в результате чего электроны включают приложение, к которому подключена ячейка.

Когда все ионы переместятся обратно к катоду, элемент полностью разряжен и нуждается в зарядке.

Литий-ионные элементы разработаны с учетом следующих мер безопасности аккумуляторов:

A. Вентиляционные отверстия, чувствительные к давлению

чувствительное вентиляционное отверстие. Если существует риск того, что батарея сильно нагреется и взорвется из-за избыточного давления (нарастание давления при 3000 кПа), это вентиляционное отверстие сбросит дополнительное давление и предотвратит возгорание других элементов в аккумуляторной батарее.

B. Сепаратор служит предохранителем

В большинстве литий-ионных элементов используется сепаратор, изготовленный из материала, известного как полиолефин, который обладает хорошей химической стабильностью, превосходными механическими свойствами и доступен по цене. Он служит предохранителем при нагреве элемента. При чрезмерном нагреве, когда температура ядра достигает 130°C (266°F), сепаратор плавится, что останавливает перенос ионов. Это действие немедленно отключает ячейку.

Если бы это положение не было обеспечено, существовала бы вероятность того, что тепло в неисправной ячейке привело бы к порогу теплового разгона и выходу с пламенем.

C. Положительный температурный коэффициент (PTC)

Этот переключатель предотвращает перегрев батареи, защищая ее от скачков тока.

Литий-ионные элементы, как и все химические элементы, подвержены саморазряду. Саморазряд означает, что батареи теряют накопленный заряд без подключения электродов или внешней цепи. Это происходит за счет химических реакций внутри клетки. Саморазряд клеток увеличивается с возрастом, цикличностью и повышенной температурой.

Повышенный саморазряд может привести к повышению температуры, что, если его не контролировать, может привести к термическому разгону , также известному как «выброс пламени». Небольшое короткое замыкание не приведет к перегреву ВПП, поскольку энергия разряда очень мала и выделяется мало тепла.

Если, однако, из-за некоторого повреждения элемента в него проникнут примеси, может возникнуть сильное короткое замыкание, и между положительной и отрицательной пластинами будет протекать значительный ток. Происходит внезапное повышение температуры, и энергия, запасенная в батарее, высвобождается в течение миллисекунд. Аккумуляторы состоят из тысяч ячеек, упакованных вместе.

Во время теплового разгона тепло, выделяемое вышедшей из строя ячейкой, может перемещаться к следующей ячейке, что также приводит к ее термической нестабильности. Эта цепная реакция может привести к уничтожению всей стаи за несколько коротких секунд.

Теперь, когда мы знаем, почему литий-ионные аккумуляторы загораются, давайте рассмотрим, как это может произойти:

A. Производственный брак в литий-ионный элемент в процессе производства. Производители аккумуляторов должны обеспечить строго контролируемые чистые помещения для производства аккумуляторов.

Другим дефектом может быть утончение сепараторов, которое может оказаться вредным при фактическом использовании. Перед продажей клетки должны пройти строгий контроль качества и проверку.

B. Недостатки конструкции

Автомобильные компании хотят, чтобы их автомобили были гладкими и тонкими, обеспечивая при этом максимальный запас хода и производительность. Эти требования подталкивают производителей аккумуляторных батарей к разработке компактных конструкций, упаковывая элементы большой емкости в корпус меньшего размера, что портит хорошо сложенную в остальном батарею.

Нарушение конструкции может привести к повреждению электродов или сепаратора. Любой из них может привести к короткому замыканию. Кроме того, отсутствие надлежащей системы охлаждения или вентиляции может привести к повышению температуры батареи по мере нагрева горючего электролита.

Если не контролировать, это может привести к цепной реакции отказов элементов, что приведет к еще большему нагреву батареи и выходу ее из-под контроля.

C. Неправильное или неправильное использование

Внешние факторы, такие как хранение батареи в непосредственной близости от источника тепла или рядом с огнем, могут привести к ее взрыву. Преднамеренное или случайное проникновение внутрь аккумуляторной батареи может привести к короткому замыканию и возгоранию батареи. Поэтому самовольная разборка аккумуляторной батареи в электромобилях приводит к аннулированию гарантии.

Пользователям рекомендуется проверять и ремонтировать батареи только в авторизованных сервисных центрах автопроизводителя. Даже зарядка высоким напряжением или чрезмерная разрядка аккумулятора могут повредить его.

D. Проблемы с зарядным устройством

Использование зарядных устройств с плохой изоляцией может привести к повреждению аккумулятора. Если зарядное устройство закорачивает или выделяет тепло рядом с аккумулятором, оно может нанести достаточный ущерб, чтобы вызвать отказ.

Несмотря на то, что литий-ионные аккумуляторы имеют встроенную защиту от перезарядки, использование неофициальных зарядных устройств может привести к повреждению аккумулятора в долгосрочной перспективе.

E. Компоненты низкого качества

Помимо производственных дефектов, использование некачественных компонентов является одной из самых частых причин выхода из строя аккумуляторов. Растущая конкуренция снижает цены на аккумуляторы, заставляя производителей аккумуляторов экономить там, где они не должны. Экономя на низкокачественной электронике, такой как система управления батареями, увеличивается риск выхода из строя батареи.

Система управления батареями имеет решающее значение для безопасности и производительности батареи. Он защищает аккумулятор от работы за пределами его безопасной рабочей зоны. Поскольку батареи являются ценным компонентом электромобиля или системы хранения энергии, важно инвестировать в интеллектуальную систему управления батареями, которая может немедленно обнаруживать отказы элементов и предотвращать взрыв батареи.

Что делать, если загорелся аккумулятор?

Если вы заметили, что литий-ионный аккумулятор перегревается, попробуйте убрать устройство от легковоспламеняющихся материалов и отключить электропитание. Если вы находитесь в электромобиле, вам следует немедленно эвакуироваться и никогда не пытаться самостоятельно тушить возгорание литиевой батареи. Ваше здоровье и безопасность гораздо важнее, вместо этого позвоните в службу экстренной помощи.

В случае пожара необходимо использовать стандартные сухие химические огнетушители ABC или BC, поскольку они считаются классом пожара B. Распространенным заблуждением является то, что литий-ионные батареи содержат любой настоящий металлический литий. Они этого не делают, и поэтому вы не должны использовать огнетушитель класса D.

Существуют также новые и улучшенные методы тушения литиевого огня. Водная вермикулитовая дисперсия (AVD) представляет собой средство пожаротушения, которое распыляет химически расслоенный вермикулит в виде тумана. Тем не менее, более крупные литий-ионные пожары, такие как электромобили или ESS, могут нуждаться в выгорании. Использование воды с медным материалом эффективно, но дорого.

Аккумулятор Эксперты по безопасности не рекомендуют использовать воду даже для тушения крупных литий-ионных пожаров. Подобные пожары могут гореть в течение нескольких дней, и важно изолировать их от легковоспламеняющихся материалов и предотвратить их распространение.

Обеспечение безопасности аккумуляторов

Производители аккумуляторных батарей должны применять бескомпромиссный подход к обеспечению безопасности аккумуляторов. Литий-ионные аккумуляторы можно сделать более безопасными, сделав их «умными». Встраивая в батареи интеллектуальный уровень, мы можем не только диагностировать, но и прогнозировать ненормальное использование или работу батареи. Это поможет нам принять своевременные меры, предотвратить повреждение системы и обеспечить сохранность батареи.

Чтобы узнать больше о безопасности литий-ионных аккумуляторов, напишите нам на hello@ionenergy. co

Электрические 2-х и 3-х колесные транспортные средства, такие как скутеры и рикши, имеют сложные сценарии использования, которые требуют более разумного управления их батареями. Автомобильные системы управления батареями ION Energy были разработаны с учетом требований электрических двух- и трехколесных транспортных средств следующего поколения.

Узнайте, как ION Energy может помочь вам создать высокопроизводительный аккумулятор для электроскутера/рикши с длительным сроком службы.

О компании ION Energy

ION Energy — это передовая интеллектуальная платформа для управления батареями. Мы сосредоточены на создании технологий, которые улучшают срок службы и производительность литий-ионных аккумуляторов, питающих электромобили и системы хранения энергии.

Наши клиенты обычно выбирают ION Energy из-за ее надежности, прозрачности, стремления к успеху клиентов и инновационных бизнес-моделей. OEM-производители и производители аккумуляторов по всему миру выбирают интегрированные решения ION для управления батареями, чтобы постоянно улучшать срок службы и производительность батареи.

Читайте также: Maxwell получила сертификат ISO 9001:2015. На схеме показан элемент литий-воздушной батареи, состоящий из металлического литиевого анода, воздушного катода и твердого керамического полимерного электролита (CPE). При разряде и заряде ионы лития (Li

+ ) переходят от анода к катоду, а затем обратно. Предоставлено: Аргоннская национальная лаборатория.

Многие владельцы электромобилей мечтали о аккумуляторной батарее, которая могла бы проехать более тысячи миль без подзарядки. Исследователи из Иллинойского технологического института (IIT) и Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) разработали литий-воздушную батарею, которая может воплотить эту мечту в реальность. Новый дизайн батареи, разработанной командой, однажды сможет питать внутренние самолеты и дальнемагистральные грузовики.

Основным новым компонентом этой литий-воздушной батареи является твердый электролит вместо обычного жидкого.

Аккумуляторы с твердыми электролитами не являются предметом проблемы безопасности с жидкими электролитами, используемыми в литий-ионных и других типах аккумуляторов, которые могут перегреться и загореться.

Что еще более важно, химия батареи с твердым электролитом потенциально может повысить плотность энергии в четыре раза по сравнению с батареями»> литий-ионными батареями, что приводит к увеличению дальности движения.

«Более десяти лет ученые в Аргонне и других местах работали сверхурочно, чтобы разработать литиевую батарею, которая использует кислород из воздуха», — сказал Ларри Кертис, почетный научный сотрудник Аргонны. «Литий-воздушная батарея имеет самую высокую прогнозируемую плотность энергии среди всех аккумуляторных технологий, рассматриваемых для следующего поколения аккумуляторов помимо литий-ионных».

В предыдущих литий-воздушных конструкциях литий в литий-металлическом аноде перемещается через жидкий электролит, чтобы соединиться с кислородом во время разряда, образуя пероксид лития (Li ₂ O ₂ ) или супероксид (LiO ₂ ) на катоде.

Затем перекись или супероксид лития снова расщепляется на литий и кислород во время зарядки. Эта химическая последовательность сохраняет и высвобождает энергию по требованию.

Новый твердый электролит команды состоит из керамического полимерного материала, изготовленного из относительно недорогих элементов в форме наночастиц. Это новое твердое вещество позволяет проводить химические реакции, в результате которых образуется оксид лития (Li ₂ О) при выписке.

«Химическая реакция для супероксида или пероксида лития включает только один или два электрона, хранящихся на молекулу кислорода, тогда как для оксида лития участвуют четыре электрона», — сказал аргоннский химик Рашид Амин. Больше сохраненных электронов означает более высокую плотность энергии.

Литий-воздушная батарея, разработанная командой, является первой литий-воздушной батареей, в которой достигнута четырехэлектронная реакция при комнатной температуре. Он также работает с кислородом, поступающим с воздухом из окружающей среды. Возможность работы с воздухом позволяет избежать необходимости использования кислородных баллонов, что было проблемой более ранних конструкций.

Команда использовала множество различных методов, чтобы установить, что на самом деле происходит четырехэлектронная реакция. Одним из ключевых методов была просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) продуктов разряда на поверхности катода, которая была проведена в Аргоннском центре наноразмерных материалов, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США. Изображения ПЭМ предоставили ценную информацию о механизме четырехэлектронного разряда.

Прошлые литий-воздушные испытательные элементы имели очень короткий срок службы. Команда установила, что этот недостаток не относится к их новой конструкции батареи, создав и проработав тестовую ячейку в течение 1000 циклов, продемонстрировав ее стабильность при многократном заряде и разряде.

«При дальнейшем развитии мы ожидаем, что наша новая конструкция литий-воздушной батареи также достигнет рекордной плотности энергии в 1200 ватт-часов на килограмм», — сказал Кертис.

«Это почти в четыре раза лучше, чем у литий-ионных аккумуляторов».

Это исследование было опубликовано в последнем выпуске журнала Science . Аргоннские авторы включают Ларри Кертисса, Рашида Амина, Лей Ю, Цзянго Вэня, Тунчао Лю, Сянь-Хау Вана, Пола С. Редферна, Кристофера Джонсона и Халила Амина. Среди авторов из IIT Мохаммад Асади, Мохаммадреза Эсмаилирад и Ахмад Мосен Харзанди. Среди авторов из Иллинойсского университета в Чикаго Реза Шахбазиан-Яссар, Махмуд Тамадони Сарай, Наннан Шан и Ан Нго.

Дополнительная информация: Алиреза Кондори и др., Перезаряжаемая при комнатной температуре литий-воздушная батарея на основе Li 2 O с твердым электролитом, Science (2023). DOI: 10.1126/science.abq1347

Предоставлено Аргоннская национальная лаборатория

Цитата : Новая конструкция литий-воздушной батареи может обеспечить гораздо больший запас хода по сравнению с литий-ионной батареей (23 февраля 2023 г.