Почему взрываются аккумуляторы. Ионно-литиевая смерть вокруг нас

Последнее время тема самовозгорания литий-ионных аккумуляторов часто мелькает в заголовках новостей: то смартфон загорится, то ховерборд, а то и автомобиль. Так что же происходит внутри аккумулятора во время термического разгона и почему возникает самовозгорание?

Чаще всего причиной самовозгорания аккумуляторов является короткое замыкание внутри электрохимической ячейки. Электрический контакт между анодом и катодом может возникнуть по многим причинам. Это может быть, например, механическое повреждение ячейки. Ещё внутреннее короткое замыкание возникает из-за нарушения технологии производства при неровной нарезке электродов или попадании металлических частиц между анодом и катодом, что ведёт ко повреждению пористого сепаратора. Также причиной внутреннего короткого замыкания может быть «прорастание» цепочек металлического лития (дендритов) через сепаратор. Такой эффект возникает, если ионы лития не успевают встроиться в кристалл анода при слишком быстрой зарядке или низкой температуре, а также если ёмкость активного материала катода превышает ёмкость анода, в результате чего на поверхности анода появляются микроскопические отложения, которые постепенно растут.

Итак, после того, как произошло короткое замыкание, аккумулятор начинает нагреваться. Когда температура достигает 70-90 °C, ион-проводящий защитный слой на аноде начинает разлагаться. А дальше литий, встроенный в анод, вступает в реакцию с электролитом, выделяя летучие углеводороды: этан, метан, этилен и т.д. Но, несмотря на наличие такой взрывоопасной смеси, возгорания не происходит, так как в системе пока нет кислорода.

Так как реакции с электролитом экзотермические, температура и давление внутри аккумулятора продолжают повышаться. Когда температура достигает 180-200 °C, материал катода, обычно представляющий из себя оксид переходных металлов со встроенным в кристалл литием, вступает в реакцию диспропорционирования и выделяет кислород. Вот тут-то и происходит самовозгорание и ещё более резкий скачок температуры. Параллельно идёт термическое разложение электролита (200-300 °C), также выделяющее тепло. Выглядит это так:

И, в конце концов, в реакцию с электролитом (если он ещё остался) вступает графит, а когда температура достигает 660 °C, плавится алюминиевый токоприёмник. Выше 900°C температура обычно не поднимается, так как разлагаться уже нечему.

Помимо внутреннего короткого замыкания существуют и другие причины самовозгорания: перегрев аккумулятора, неправильная зарядка/разрядка (превышение максимально допустимого напряжения, зарядка на высоких токах, слишком глубокая разрядка), и т.д. Но все эти причины приводят к одному результату: термическому разгону и разложению электролита при взаимодействии с электродами. Различаются только порядки вышеописанных реакций и их скорость.

Естественно, производители аккумуляторов предусмотрели системы защиты от самовозгорания, и чем больше и мощнее аккумулятор, тем больше степеней защиты он содержит. Одним из видов защиты от небольшого короткого замыкания является пористый сепаратор, который при локальном повышении температуры становится непроницаемым и препятствует, к примеру, дальнейшему росту дендритов внутри аккумулятора. Но иногда температура повышается слишком быстро, и сепаратор просто плавится, в результате чего анод соприкасается с катодом.

Также аккумуляторы оборудованы предохранителями и клапанами, которые при повышении давления и температуры внутри либо отключают электроды от цепи, либо способствуют выходу наружу скопившегося газа. В последнем случае, так как газы легковоспламеняющиеся, при контакте с кислородом снаружи возникает пламя. Пример действия защитных клапанов можно было наблюдать при аварии с участием автомобиля Тесла Model S, где аккумулятор был пробит крупным металлическим предметом. Так как в Тесле клапаны аккумуляторов были направлены вниз на асфальт и отдельные блоки были хорошо изолированы друг от друга, сгорела лишь передняя часть аккумулятора (как сказал Элон Маск, если бы тот же металлический предмет пробил бак с бензином, машины бы сгорела целиком).

Кстати, термическая изоляция отдельных блоков в крупном аккумуляторе очень важна. Если в вышеупомянутом примере аккумулятор Теслы не загорелся полностью из-за хорошей термоизоляции, то в случае аккумулятора на борту Боинга 787 самовозгорание произошло из-за того, что блоки были недостаточно изолированы друг от друга, что привело к перегреву всей системы.

Также литий-ионные аккумуляторы оснащены контроллерами, сенсорами, балансирами заряда, и т.д. Подробнее про системы безопасности аккумуляторов можно почитать .

Как видно из этого поста, самый опасный компонент аккумулятора- электролит, который разлагается на легковоспламеняющиеся компоненты при повышении температуры. На сегодняшний день учёные пытаются найти более стабильные альтернативы: ионные жидкости, полимерные электролиты, твёрдотельные керамические электролиты и т.д. Но это-отдельная тема…

Источники:

Теги: Добавить метки

У каждого современного человека есть множество Li-Ion аккумуляторов: в смартфонах, ноутбуках, пауэрбанках, беспроводных наушниках и колонках, электросамокатах, электровелосипедах, гироскутерах, пылесосах и многих других устройствах.
Многие знают об опасности этих аккумуляторов, но мало кто знает, как именно они горят. Это впечатляет, поверьте!

Для начала посмотрите ролик Креосана об издевательствах над аккумуляторами 18650. То, с какой интенсивностью они горят при физическом повреждении, приводит в ужас.

Интересно, что качественные аккумуляторы не боятся электрического воздействия - ни при перезаряде большим током, ни при коротком замыкании ничего страшного с ними не происходит. Замечу, что дешёвые безымянные аккумуляторы такими свойствами не обладают. Известно много случаев самовозгорания гироскутеров и электросамокатов (почти всегда при зарядке). Все эти устройства безымянных китайских производителей были оснащены не менее безымянными аккумуляторами.

Как видно из ролика, при физическом повреждении аккумуляторы горят очень интенсивно и очень быстро. Потушить такое пламя вряд ли возможно. Но горят только заряженные аккумуляторы. При физическом повреждении разряженного аккумулятора ничего страшного с ним не произошло.

Увы, полностью разряженными литиевые аккумуляторы хранить нельзя - со временем напряжение на ячейках падает и если в результате длительного хранения напряжение упадёт с 3 вольт (напряжение, при котором защитная электроника считает аккумулятор полностью разряженным) до 2.5 вольт, начнётся невосстановимая деградация. Считается, что для длительного хранения аккумуляторы должны быть заряжены на 40%, но при таком уровне заряда они также представляют опасность в случае физического повреждения.

Несмотря на то, что литиевых аккумуляторов сейчас приходится по нескольку десятков на каждого жителя земли, горят они не очень часто, но опасность всё же есть.

Постарайтесь придерживаться простых правил:

1. Никогда не оставляйте устройства, стоящие на зарядке, без присмотра. Поставить дома заряжаться электросамокат или гироскутер и пойти гулять СОВЕРШЕННО НЕДОПУСТИМО и опасно!

2. Старайтесь не использовать устройства с безымянными аккумуляторами. Лучше потратить чуть больше денег и купить хороший пауэрбанк, электросамокат или пылесос, в которых гарантированно будут стоять аккумуляторы известного производителя.

3. Если вы долго не пользуетесь устройствами, не храните их с полностью заряженными аккумуляторами.

P.S. А вы смотрите ролики Креосана? Ребята живут в деревне где-то под Луганском и делают совершенно безумные и опасные эксперименты (притягивают настоящие молнии, взрывают газовые баллоны, уничтожают электронику сверхмощными импульсами микроволн). Я за последние три дня роликов двадцать посмотрел. :)

2018, Алексей Надёжин

Основная тема моего блога - техника в жизни человека. Я пишу обзоры, делюсь опытом, рассказываю о всяких интересных штуках. А ещё я делаю репортажи из интересных мест и рассказываю об интересных событиях.
Добавьте меня в друзья

В нашей жизни литиевые батареи уже прочно заняли свое место и во многих случаях играют ключевую роль. Конечно же, срок службы каждого аккумулятора ограничен, но может ли он работать дольше и более эффективно? Надеюсь, небольшой сборник полезных советов, предоставленный ниже, Вам обязательно пригодится.

Как литиевые батареи взрываются?

Стандартные условия использования аккумуляторов: температура окружающей среды до 60 градусов Цельсия, без каких-либо дополнительных термо- и/или механических воздействий. Эти идеальные условия обеспечат максимальный срок службы аккумулятора и оградят вас от неприятных сюрпризов.

В то же время, батарея не должна находиться в сжатом пространстве, возле источников огня или высокой температуры, в процессе использования, батарея не должна подвергаться физической деформации, прокалываться, или даже просверливаться. Потому что, даже один из этих моментов, может спровоцировать взрыв аккумулятора.

И еще! Не в коем случае не разбирайте аккумуляторы!

Внешний вид аккумуляторов

После продолжительного использования, литиевый аккумулятора начинает вырабатывать газ и сам аккумулятора начинает раздуваться. В более редких случаях, аккумулятор начинает течь. И если вдруг, Вы заметите подобные изменения в аккумуляторе, то следует немедленно прекратить использование устройства, а сам аккумулятор отсоединить от источника потребления. Конечно, при этом надо соблюдать осторожность, чтобы не закоротить контакты самого аккумулятора.

Все аккумуляторы в среднем рассчитаны на определенное количество разрядов и зарядов. Со временем использования, внутренняя структура аккумулятора разрушается, изменяется форма аккумулятора и емкость начинает снижаться. Я пишу это не для того, чтобы Вы начали меньше пользоваться приборами на литиевых батареях, я пишу это для того, чтобы Вы оценивали «возраст» и срок оставшейся жизни аккумулятора. Ниже находится фото плеера, в котором аккумулятор раздавил экран и деформировал корпус.

Кроме того, мы и сами у себя должны вырабатывать хорошие привычки, пользоваться только оригинальными зарядными устройствами. Каждая батарея, в зависимости от емкости, типа и используемого материала, имеет определенный параметры заряда, поэтому даже один и тот же производитель мобильных устройств может выпускать разные зарядные устройства. Пожалуйста, не забывайте об этом.

Как ухаживать за литиевыми батареями?

Как уже писалось выше, по мере использования, срок службы аккумуляторов сокращается. Так вот, если в процессе эксплуатации батареи, Вы замечаете, что при том же времени заряда аккумулятора, время работы устройства значительно сокращается, то скорее всего, срок жизни аккумулятора подходит к концу и Вам пора задуматься о его замене.

Раньше часто уделялось внимание тренировкам батарей, путем нескольких циклов полного разряда и заряда. Пора уже это забыть. Литиевые батареи не обладаю эффектом памяти, поэтому данные «процедуры» для них просто бесполезны.

Оптимальные условия для хранения аккумулятора: уровень заряда около 40%, в прохладном (0-10 градусов) месте. При этом вы можете не беспокоиться об аккумуляторах около полу года. Раз в пол года можно проверить уровень заряда, для поддержании его около отметки 40%.

Хотелось бы еще отметить и тот факт, что литиевые аккумуляторы подвержены естественному старению, даже, если они не используются. Примерно за 2 года, батарея теряет около трети своей емкости. Это говорит о том, что нет необходимости запасаться такими батареями в прок и, что при их покупки, необходимо обращать на дату изготовления.

Ядерная батарея или батареи будущего.

Технологии не стоят на месте, но мы до сих пор несколько раз в неделю, дома должны доставать зарядное устройство и подключать наш мобильный телефон и плеер на зарядку на ночь. Это у нас вошло в привычку и на рутинность этих действий мы уже не обращаем внимание…

А в тоже время, уже сейчас существуют ядерные источники питания, размеры которых соизмеримы с размерами монеты.　 Подобные источники, способны вырабатывать энергию на протяжении около сотни лет без какого-либо вмешательства и каких-либо подзарядок, что заставляет задуматься о перспективе этого направления, не так ли?! Кроме того, не стоит пугаться названия, эти элементы абсолютно безвредны для жизни и здоровья живых существ.

Так что скоро, похоже, мы полностью забудем, что такое зарядное устройство, какие они бывают и как им пользоваться

Вероятность взрыва литиевого аккумулятора при использовании правильной BMS (платы управления АКБ) штатного зарядного устройства, отсутствии давления на элементы саму аккумуляторную батарею, должной герметизации и изоляции, минимальна или отсутствует вовсе.

Ушли прошлое времена, когда аккумуляторы производились преимущественным содержанием кадмия и имели низкий уровень взрывобезопасности. Почему же, вопреки максимальной безопасности современных АКБ, иногда происходят взрывы Li-Ion аккумуляторов?

Такие батареи включают в себя анод и катод. Их разделяет пористый сепаратор из полимера. В аноде зачастую применяется графит, катоде в роли активного вещества выступают оксиды переходных металлов интегрированными ионами лития. Электрохимическая ячейка заполняется электролитом. При начальной зарядке, выполняемой производителем, на аноде формируется защитный слой. Он состоит из разложившегося электролита и оберегает электроды от контакта с электролитом. Наиболее распространенной причиной взрыва литиевого аккумулятора считается короткое замыкание в электрохимической ячейке.

Почему взрываются литий ионные аккумуляторы?

Вызвать электрическое взаимодействие катода с анодом способны разные факторы, к примеру:

1. Физическое повреждение ячейки.
2. Нарушение производственной технологии - попадание частиц металла между катодом и анодом, дефектная нарезка электродов (в результате повреждается пористый сепаратор).

1. «Прорастание » через сепаратор дендритов лития. Происходит из-за низких температур и чрезмерно быстрой зарядки - когда ионы лития не успевают занять свои места в кристалле анода. Также может происходить из-за существенной разницы между емкостями анода и активного вещества катода.

Короткое замыкание приводит к нагреву аккумулятора, разложению ион-проводящего слоя на аноде (при 70-90 °С), реакции лития с электролитом, выделению летучих углеводородов. При нагреве до 180-200 °С материал катода вступает в реакцию диспропорционирования, выделяется кислород и начинается самовозгорание со стремительным ростом температуры. Далее взаимодействовать с электролитом начинает графит, а при нагреве до 660 °C расплавляется алюминиевый токоприемник.

Другие причины взрыва литий ионного аккумулятора

Кроме короткого замыкания в электрохимической ячейке, к самовозгоранию и взрыву литиевой аккумуляторной батареи способны привести:

• перегрев АКБ;
• зарядка на повышенных токах;
• превышение предельного значения напряжения;
• чрезмерно глубокая разрядка.

Все эти факторы провоцируют тепловой разгон и разложение электролита в процессе его реакции с электродами. Большинство современных производителей максимально снизили их взрывоопасность, используя многоступенчатые системы защиты. В этих целях успешно применяются предохранители, контроллеры, клапаны, изоляционные материалы, балансиры заряда, сенсоры.

Чтобы оградить себя от неприятных сюрпризов, приобретайте АКБ надежных производителей и соблюдайте правила эксплуатации. Прежде всего:

• не допускайте тепловых и механических воздействий на батарею;
• не подвергайте ее деформации, прокалыванию и другим воздействиям;
• не разбирайте;
• не используйте вздувшийся или потекший аккумулятор, отсоедините его от источника потребления и будьте осторожны, чтобы не закоротить контакты АКБ;
• используйте только оригинальные зарядные устройства.

Подробнее о том, как правильно пользоваться Li-Ion аккумулятором, читайте .

В то время как литий-ионные батареи в целом невероятно безопасны, они очень редко загораются или взрываются. Когда это происходит, например, с Galaxy Note 7 от Samsung или недавним отзывом ноутбука HP, это всегда большие новости. Итак, что происходит и почему батареи иногда выходят из строя? Расскажем в этой статье.

Аккумуляторные литий-ионные батареи — это тип батареи, которая находится внутри Вашего ноутбука, телефона, планшета и почти любого другого современного гаджета, который у Вас есть, а также электрические автомобили и самолеты.

Что внутри литий-ионной батареи?

Чтобы понять, почему литий-ионные батареи иногда взрываются, Вам нужно знать, что происходит внутри. Внутри каждой литий-ионной батареи есть два электрода: положительно заряженный катод и отрицательно заряженный анод, разделенный тонким слоем микроперфорированного пластика, который удерживает два электрода от касания. Когда Вы заряжаете литий-ионную батарею, ионы лития выталкиваются электричеством из катода, через микроперфляции в сепараторе и электропроводящей жидкости, а также в анод. Когда батарея разряжается, происходит обратное с ионами лития, текущими от анода к катоду. Это реакция, которая питает Ваш ноутбук.

Маленькие батареи, такие как у смартфонов, обычно имеют только одну литий-ионную ячейку. Большие батареи, как и ноутбуках, обычно имеют от 6 до 12 литий-ионных элементов. Батареи в электрических машинах и самолетах могут иметь сотни ячеек.

Что делает литий-ионную батарею взрывоопасной?

То, что делает литий-ионные батареи полезными, также дает им способность загореться или взорваться. Литий действительно хорош в хранении энергии. Когда он выпущен как струйка, он весь день заряжает Ваш телефон. Когда он будет выпущен весь за один раз, батарея может взорваться.

Большинство литий-ионных батарейных пожаров и взрывов сводится к проблеме короткого замыкания. Это происходит, когда пластиковый сепаратор выходит из строя и позволяет касаться анода и катода. И как только эти двое соприкасаются, батарея начинает перегреваться.

Существует ряд причин, по которым разделитель может выйти из строя:

• Дефекты дизайна или изготовления: аккумулятор плохо разработан, как в случае с Galaxy Note 7. В этом случае недостаточно места для электродов и сепаратора в батарее. В некоторых моделях, когда батарея немного увеличилась при зарядке, электроды согнулись и вызвали короткое замыкание. Даже хорошо спроектированная батарея может выйти из строя, если контроль качества не будет достаточно тщательным или есть дефект в производстве.
• Внешние факторы: Экстремальное тепло почти гарантированно вызывает отказ. Известно, что батареи, находящиеся слишком близко к источнику тепла или попавшим под огонь, взрываются. Другой внешний фактор может привести к сбою литий-ионной батареи. Если Вы проткнете батарею (случайно или намеренно), то Вы почти наверняка вызовете короткое замыкание.
• Проблемы с зарядным устройством: плохо сделанное или плохо изолированное зарядное устройство также может повредить литий-ионный аккумулятор. Если зарядное устройство замыкает или генерирует тепло рядом с батареей, оно может нанести достаточный урон, чтобы вызвать сбой. Поэтому мы рекомендуем использовать только официальные зарядные устройства (или, по крайней мере, высококачественные сторонние устройства от уважаемых брендов). Литий-ионные аккумуляторы имеют встроенные средства защиты, чтобы остановить их перезарядку. Хотя очень редко, если эти меры предосторожности терпят неудачу, перезарядка приводит к перегреву батареи.
• Несколько ячеек: хотя они не имеют отношения к батареям с одной ячейкой, подобным тем, которые присутствуют на большинстве смартфонов (на самом деле у iPhone X есть две ячейки), только одна батарейная ячейка должна быть неисправна чтобы испортить всю батарею. Как только одна ячейка перегревается, Вы получаете эффект домино, называемый «Thermal Runaway». Для батарей с сотнями ячеек, подобных тем, что у Tesla Model S-thermawaway, потенциально может быть действительно большой проблемой.

Несмотря на то, что литий-ионные батареи иногда взрываются — это безопасная и зрелая технология. Тот факт, что это всегда новости, когда батарея взрывается неожиданно, показывает, насколько редко случаются эти большие неудачи. Производители аккумуляторов устанавливают множество мер предосторожности для предотвращения сбоев батарей или, по крайней мере, смягчают ущерб, который может вызвать сбой.