Недавно тема спонтанного воспламенения литиево-ионных батарей часто появляется в медиа. Что же происходит внутри таких батарей при тепловом излучении и что приводит к самовозгоранию? Литиево-ионные батареи имеют анод и катод, отделенные друг от друга пористым полимерным сепаратором. В качестве активного компонента катода обычно выступают оксиды металлов переходной группы, содержащие литиевые ионы. Аноды обычно изготовлены из графита. Электролит внутри батареи состоит из органических литиевых солей. Во время первой зарядки, производимой производителем, в процессе интеграции лития в анод, на электродах (особенно на аноде) формируется защитный ионный слой (SEI), состоящий из расщепленных компонентов электролита. Этот пласт выполняет функцию защиты электродов от нежелательных реакций с электролитом.
Причины спонтанного воспламенения литиево-ионных батарей
Обычно основной причиной самовозгорания батарей является внутреннее короткое замыкание. Электрический контакт между анодом и катодом может возникнуть по разным причинам, включая механическое повреждение. Внутреннее короткое замыкание также может произойти из-за нарушения процесса производства, когда электроды режутся неравномерно или между анодом и катодом попадают металлические частицы, что приводит к повреждению пористого сепаратора. Другой причиной может быть формирование дендритов металлического лития, прорастающих через сепаратор. Это может происходить, если литиевые ионы не успевают интегрироваться в анод во время быстрой зарядки или при низких температурах, а также когда емкость катода превышает емкость анода, что приводит к образованию микроскопических осадков на аноде.
Механизм спонтанного воспламенения литиево-ионных батарей После возникновения короткого замыкания батарея нагревается. При достижении температуры 70-90°C ионный защитный слой на аноде начинает распадаться, а литий, встроенный в анод, реагирует с электролитом, выделяя горючие углеводороды, такие как этан, метан, этилен и т.п. Поначалу в системе нет кислорода, потому взрыв не происходит.
Однако из-за экзотермических реакций с электролитом температура и давление внутри батареи продолжают расти. При достижении 180-200°C материал катода вступает в реакцию диспропорционирования, выделяя кислород. В это время происходит спонтанное воспламенение и резкий рост температуры. Параллельно происходит тепловой распад электролита (при 200°C), также выделяющий тепло. Когда температура достигает 660°C, начинается реакция с графитом, а при температуре выше 900°C распад материалов обычно не происходит.
Аккумуляторы имеют различные системы защиты от самовозгорания, и чем больше и мощнее аккумулятор, тем больше защитных мер он содержит. В частности, ячеистый сепаратор является одним из способов защиты от небольшого короткого замыкания. Но иногда температура растет слишком быстро и сепаратор просто плавится, в результате чего анод соединяется с катодом. Также аккумуляторы оборудованы предохранителями и клапанами, которые при повышении давления и температуры либо отключают электроды от цепи, либо способствуют выходу собранного газа кнаружи. Литий-ионные аккумуляторы также оборудованы контроллерами, сенсорами, балансерами заряда и т.д. Как видно из этого поста, наиболее опасным компонентом аккумулятора является электролит, разлагающийся на легковоспламеняющиеся компоненты при повышении температуры.
Методы безопасности в литий-ионных батареях
1. Обычные устройства безопасности BMS
Обеспечение безопасности литиевых батарей требует эффективных механизмов токоограничения. Простые устройства безопасности, такие как устройства с положительным тепловым коэффициентом используются для реагирования на высокие температуры (BMS). Эффективность этих устройств зависит от нескольких факторов, таких как температура окружающей среды, изоляция контейнера, выделенное тепло от оборудования, нагрев от разряда батареи, а также скорость и продолжительность разряда. Использование этих механизмов помогает снизить риск возникновения опасных условий и обеспечить безопасную работу литиевых батарей в разных устройствах.
2. Самовосстановительные устройства
Данные устройства автоматически восстанавливаются после выхода из строя, избегая частой замены и сложного технического обслуживания. Эти устройства с положительным температурным коэффициентом используют материалы, сопротивление которых резко возрастает с увеличением температуры. Они эффективно устраняют ограничения, связанные с размером и стоимостью встроенных устройств, таких как магнитные или термопереключатели, и стали прогрессивными решениями по обеспечению безопасности литий-ионных батарей. Действие самовосстановительных устройств основано на специальных материалах, обеспечивающих резкий рост сопротивления при повышении температуры.
3. Сепараторы отключения
Сепараторы для литий-ионных аккумуляторов представляют собой полиолефиновые микропористые пленки и, как правило, одноосно вытянутый полиэтилен (ПЭ) и полипропилен (ПП), двухосно вытянутый ПЭ или мультиаксиально вытянутый ПП/ПЭ/ПП.
В дополнение к обычным характеристикам, таким как хорошая механическая прочность, проницаемость для электролита, эти микропористые сепараторы обладают защитными свойствами при повреждении клеток. Эти свойства микропористых сепараторов заключаются в способности удерживать изолированными отдельные участки аккумулятора даже после механических повреждений, что помогает предотвратить потенциальные короткие замыкания и дальнейшее возникновение опасных ситуаций.
Также одним из вариантов механизма безопасности литий-ионных аккумуляторов является использование автоматических огнетушителей, которые можно устанавливать в системах акб. Это позволяет избежать непредвиденных ситуаций, связанных с возможными возгораниями или пожарами в батареях.
В качестве вывода батареи могут быть потенциально опасны, если пользователь неправильно их использует или не тщательно разработан производителем. Осознавая последствия, производители аккумуляторов включают в себя различные меры безопасности в конструкцию своих элементов. В то время как производитель делает все возможное, чтобы сделать свою продукцию надежной, такая же ответственность лежит на пользователе, который должен соблюдать Инструкции по эксплуатации, которые прилагаются изготовителем к блоку питания, чтобы избежать ошибок при обращении с ним.