Пожароопасность литий-ионных аккумуляторов

Литиевые аккумуляторы широко распространены в наше время. Представить повседневную деятельность без их использования сложно, они присутствуют повсюду – ноутбуки, телефоны, электроинструменты, роботы-пылесосы, электросамокаты и другая портативная техника. В подавляющем большинстве случаев применение таких аккумуляторов является наиболее подходящим решением, потому что они превосходят другие типы аккумуляторных батарей по таким параметрам, как число циклов зарядки-разрядки, удельная энергоемкость и габариты. Главной проблемой аккумуляторов типа Li-ion является высокая вероятность возгорания, в этом случае будет поврежден не только сам источник питания, но и окружающее его пространство. Рассмотрим подробнее такую характеристику, как пожароопасность литий-ионных аккумуляторов.

Анод и катод литий-ионного аккумулятора разделены слоем из пористого полимера. На катоде находится активный материал, в качестве которого выступают оксиды переходных металлов, в которых содержатся ионы лития. Структура анода, чаще всего, графитная, а в качестве электролита используется органический раствор солей лития (рис. 1).

Рисунок 1. Устройство литий-ионного аккумулятора

Различаются Li-ion аккумуляторы по используемым в них химическим элементам:

• ICR — в аккумуляторах с данной маркировкой в качестве материала катода используется кобальт лития. Хотя у этих аккумуляторов небольшая емкость (2000-2500 mA*h) и низкие показатели токоотдачи (1-2C), главным преимуществом является их цена. Такие батареи применяются, например, для ноутбуков. Это самые небезопасные аккумуляторы литий-ионного типа, наиболее чувствительные к перегреву,  перезаряду,  и механическим повреждениям. Такие элементы строго не рекомендуется использовать без платы BMS и в устройствах потребляющих большие токи(>2C).

• IMR — обозначение для аккумуляторов с катодом из литий-марганца. Этот тип Li-ion аккумуляторов может выдерживать токи до 4-10C, это существенно расширяет область их применения. По ёмкости они не отличаются от  ICR. Такой тип аккумуляторов более безопасный по сравнению с ICR, потому что он меньше подвержен нагреву в диапазоне рабочих токов.
• INR — аккумуляторы, в которых в качестве материала катода используется никелат лития. Данный тип аккумуляторов также способен выносить токи до 4-10C, но в отличии от IMR имеет более высокую емкость - до 3500 mA*h.
• NCR  — маркировка, обозначающая, что катодом служат кобальт и никелат лития. Аккумуляторы такого типа рассчитаны на токи до 2С и обладают большой ёмкостью 3500 mA*h. Главным преимуществом является длительный срок эксплуатации - более 500 циклов заряда-разряда.

Внутреннее короткое замыкание — одна из главных причин возгорания аккумулятора. Основными причинами такого короткого замыкания являются перегрев, заводской брак, или механическое повреждение. При условии, что механическое повреждение было достаточно сильным, возгорание может произойти мгновенно. Перегрев же может случиться по нескольким причинам: тепловое воздействие внешней среды; короткое замыкание сети; избыточный заряд; использование аккумулятора при токах, выше рекомендованных.

При внутреннем коротком замыкании температура аккумулятора начинает подниматься, и при нагреве до 70-90°C начинается разрушение защитного пористого слоя анода. Литий анода вступает в реакцию с электролитом, попутно выделяя горючие углеводороды, такие как этан, метан, этилен  и прочие сопутствующие элементы. Но возгорания не произойдет без кислорода. Реакция с выделением тепла продолжается, температура растет и давление внутри корпуса аккумулятора повышается. При 180-200°C начинается реакция диспропорционирования на катоде, при которой и выделяется кислород. Происходит возгорание, температура сильно возрастает, а электролит начинает экзотермически разлагаться, температура на этой стадии достигает 200-300°C. В последней стадии в реакцию вступает графит, и при достижении температуры 660°C начинает плавиться алюминий токоприемника. Максимальная температура во всем этом процессе обычно достигнуть 900°C, а потом все быстро заканчивается полным разложением внутренних компонентов аккумулятора и его взрывом.

Во избежание подобных ситуаций, Li-ion аккумуляторы оснащают защитным клапаном. Это устройство, которое снижает избыточное давление в аккумуляторной батарее в случае её перегрева на начальной стадии, а также прерывает электрическую цепь в районе положительного контакта. Эти меры часто спасают в экстренных ситуациях от возгорания и последующего взрыва.

К тому же существуют 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.

При использовании литиевых аккумуляторов следует соблюдать нижеописанные рекомендации:    

• не следует допускать перезаряда и переразряда аккумуляторов, своевременно отключая их от сети
• нужно контролировать температуру аккумуляторов - она не должна превышать 60°C
• не нужно эксплуатировать аккумуляторы с механическими повреждениями, даже если внешне они выглядят целыми, повреждение могло произойти во внутренней части элемента питания
• не стоит оставлять аккумуляторы в разряженном состоянии, это может привести к его деградации и повышению внутреннего сопротивления, что в свою очередь вызовет избыточный нагрев
• нужно обязательно устанавливать плату BMS кроме тех случаев, когда её отсутствие предусмотрено устройством
• не следует заряжать аккумуляторы при отрицательной температуре внешней среды, так как это может спровоцировать повреждение внутренней структуры аккумулятора.

При возгорании литий-ионнного аккумулятора следует помнить, что это химическое горение, поэтому углекислотные и порошковые огнетушители будут бесполезны в такой ситуации. Необходимо как можно быстрее залить аккумулятор водой - это его охладит, и остановит реакцию. В том случае если поблизости не нашлось воды, самым верным решением будет убедиться в отсутствии горючих материалов возле аккумулятора и дать ему выгореть полностью, отойдя на безопасное расстояние. 

Таким образом, соблюдая несложные правила эксплуатации аккумуляторов можно избежать самовозгорания или взрыва в подавляющем большинстве случаев и уберечь свое имущество от материального ущерба.