Віднедавна тема спонтанного займання літієво-іонних батарей часто з'являється у медіа. Що ж відбувається всередині таких батарей під час теплового випромінювання та що призводить до самозаймання? Літієво-іонні батареї мають анод та катод, які відокремлені один від одного пористим полімерним сепаратором. В якості активного компонента катода зазвичай виступають оксиди металів перехідної групи, що містять літієві іони. Аноди зазвичай виготовлені з графіту. Електроліт усередині батареї складається з органічних літієвих солей. Під час першого заряджання, що проводиться виробником, у процесі інтеграції літію в анод, на електродах (особливо на аноді) формується захисний іонний шар (SEI), що складається з розщеплених компонентів електроліту. Цей шар виконує функцію захисту електродів від небажаних реакцій з електролітом.
Причини спонтанного займання літієво-іонних батарей
Зазвичай основною причиною самозаймання батарей є внутрішнє коротке замикання. Електричний контакт між анодом та катодом може виникнути з різних причин, включаючи механічне ушкодження. Внутрішнє коротке замикання також може статися через порушення процесу виробництва, коли електроди ріжуться нерівномірно або коли між анодом та катодом потрапляють металеві частинки, що призводить до ушкодження пористого сепаратора. Іншою причиною може бути формування дендритів металічного літію, які проростають через сепаратор. Це може відбуватися, якщо літієві іони не встигають інтегруватися в анод під час швидкого заряджання або при низьких температурах, а також коли ємність катода перевищує ємність анода, що призводить до утворення мікроскопічних осадів на аноді.
Механізм спонтанного займання літієво-іонних батарей Після виникнення короткого замикання батарея нагрівається. При досягненні температури 70-90°C іонний захисний шар на аноді починає розпадатися, а літій, вбудований у анод, реагує з електролітом, виділяючи горючі вуглеводні, такі як етан, метан, етилен тощо. Спочатку в системі немає кисню, тому вибух не відбувається.
Однак через екзотермічні реакції з електролітом температура і тиск всередині батареї продовжують зростати. При досягненні 180-200°C матеріал катода вступає в реакцію диспропорціонування, виділяючи кисень. Саме тоді відбувається спонтанне займання і різке зростання температури. Паралельно відбувається тепловий розпад електроліту (при 200°C), що також виділяє тепло. Коли температура досягає 660°C, починається реакція з графітом, а при температурі вище 900°C розпад матеріалів зазвичай не відбувається.
Акумулятори мають різноманітні системи захисту від самозаймання, і чим більше і потужніше акумулятор, тим більше захисних заходів він містить. Зокрема, пористий сепаратор є одним зі способів захисту від невеликого короткого замикання. Але іноді температура зростає занадто швидко, і сепаратор просто плавиться, в результаті чого анод з’єднується з катодом. Також акумулятори обладнані предохранителями і клапанами, які при підвищенні тиску та температури або відключають електроди від ланцюга, або сприяють виходу зібраного газу назовні. Літій-іонні акумулятори також обладнані контролерами, сенсорами, балансерами заряду і т.д. Як видно з цього поста, найбільш небезпечним компонентом акумулятора є електроліт, який розкладається на легкозаймисті компоненти при підвищенні температури.
Методи безпеки в літій-іонних батареях
1. Звичайні пристрої безпеки BMS
Забезпечення безпеки літієвих батарей вимагає ефективних механізмів струмообмеження. Прості пристрої безпеки, такі як пристрої з позитивним тепловим коефіцієнтом, використовуються для реагування на високі температури (BMS). Ефективність цих пристроїв залежить від кількох факторів, таких як температура оточуючого середовища, ізоляція контейнера, виділене тепло від обладнання, нагрівання від розряду батареї, а також швидкість та тривалість розряду. Використання цих механізмів допомагає знизити ризик виникнення небезпечних умов та забезпечити безпечну роботу літієвих батарей у різних пристроях.
2. Самовідновлювальні пристрої
Дані пристрої автоматично відновлюються після виходу з ладу, уникаючи необхідності частої заміни та складного технічного обслуговування. Ці пристрої, з позитивним температурним коефіцієнтом, використовують матеріали, опір яких різко зростає зі збільшенням температури. Вони ефективно усувають обмеження, пов’язані з розміром та вартістю вбудованих пристроїв, таких як магнітні або термоперемикачі, і стали прогресивними рішеннями для забезпечення безпеки літій-іонних батарей. Дія самовідновлювальних пристроїв заснована на спеціальних матеріалах, які забезпечують різке зростання опору при підвищенні температури.
3. Сепаратори відключення
Сепаратори для літій-іонних акумуляторів є поліолефінові мікропористі плівки і, як правило, одновісно витягнутий поліетилен (ПЕ) і поліпропілен (ПП), двовісно витягнутий ПЕ або мультиаксіально витягнутий ПП/ПЕ/ПП. На додаток до звичайних характеристик, таких як хороша механічна міцність, проникність для електроліту, ці мікропористі сепаратори мають захисні властивості при пошкодженні клітин. Ці властивості мікропористих сепараторів полягають у здатності утримувати ізольованими окремі ділянки акумулятора навіть після механічних пошкоджень, що допомагає запобігти потенційним коротким замиканням та подальшим виникненням небезпечних ситуацій.
Також одним з варіантів механізму безпеки для літій-іонних акумуляторів є використання автоматичних вогнегасників, які можна встановлювати в системах акб. Це дозволяє уникнути непередбачуваних ситуацій, пов’язаних з можливими загоряннями або пожежами в батареях.
Як висновок батареї можуть бути потенційно небезпечними, якщо користувач неправильно їх використовує або не ретельно розроблений виробником. Усвідомлюючи наслідки, виробники акумуляторів включають різні заходи безпеки у конструкцію своїх елементів. У той час як виробник робить все можливе, щоб зробити свою продукцію надійною, така ж відповідальність лежить на користувачеві, який повинен дотримуватися Інструкції з експлуатації, що додаються виробником до блоку живлення, щоб уникнути помилок при поводженні з ним.
