Пожаробезопасность литиевых аккумуляторов

Представить современную жизнь без литиевых аккумуляторов невозможно, они окружают нас везде - смартфоны, носимая электроника, аккумуляторные электроинструменты, электротранспорт, различные погрузчики, поломоечные машины и т.д. и т.п.  Во многих сферах использование именно литиевых аккумуляторов является наилучшим решением, поскольку по таким параметрам как удельная энергоемкость и количество циклов заряда-разряда они являются лидерами, и ушли далеко вперед по сравнению со своими свинцовыми, NiCd и NiMH собратьями.

Рассматривать все плюсы и минусы "лития" сегодня мы не будем, а сосредоточимся на одном весьма серьезном недостатке - пожароопасность. Действительно, одной из самых главных проблем Li-ion аккумуляторов является вероятность возгорания, ведь в таком случае может пострадать не только устройство, в котором находилась батарея, но и все его окружающие пространство.

Мы постараемся разобраться во всех аспектах пожароопасности литиевых аккумуляторов и ответить на следующие вопросы:

• типы химии литиевых аккумуляторов. Насколько подвержены возгоранию те или иные виды аккумуляторов?
• из-за чего может загореться аккумулятор?
• техника безопасности. Что необходимо для безопасной эксплуатации аккумуляторов?
• что делать в случае возникновения экстренной ситуации?

Пожароопасность различных типов литиевых аккумуляторов

Многие слышали, что аккумуляторы могут загореться, но далеко не все задавались вопросом - а все ли аккумуляторы одинаково пожароопасны? Давайте разберемся.

Существует несколько видов литиевых аккумуляторов:

• Li-ion.
• Li-pol.
• LiFePO4.
• LTO.

Li-ion

Начнем с одного из самых распространенных типов - Li-ion. Аккумуляторы данного типа обладают высокой энергоемкостью (до 280 Вт*ч/кг), наиболее часто встречаются в формате цилиндрических ячеек различных типоразмеров, самые популярные - 18650, 21700, 32650. Из таких элементов чаще всего собирают аккумуляторные батареи для электровелосипедов, электрокаров, аккумуляторного инструмента  и т.д.

Минимальное напряжение для Li-ion аккумулятора варьируется от 2,5 до 2,75V, максимальное - от 4,2 до 4,35V. 

В свою очередь Li-ion аккумуляторы имеют разные типы химии:

ICR - в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется кобальт лития. Главным преимущество таких аккумуляторов является их стоимость. У них сравнительно небольшая емкость (2000-2500mA*h) и низкие показатели токоотдачи (1-2C).

Используются они, например, в АКБ для ноутбуков. Это самый небезопасный тип Li-ion аккумуляторов, они наиболее чувствительны к перезаряду, перегреву, и механическим повреждениям. Категорически не рекомендуется использовать без платы BMS, а так же в устройствах потребляющих большие токи(>2C).

IMR - в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется литий-марганец. Этот тип Li-ion аккумуляторов способен выдерживать токи до 4-10C, что значительно расширяет область их применения. Емкость приблизительно такая же, как и у ICR - до 2500mA*h.

Этот тип аккумуляторов более безопасен, в сравнении с ICR, поскольку гораздо меньше подвержен нагреву в диапазоне рабочих токов.

INR - в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется никелат лития. Этот тип Li-ion аккумуляторов способен выдерживать токи до 4-10C, но в отличии от IMR может иметь гораздо более высокую емкость - до 3500mA*h. Так же не значительно подвергнут нагреву, при соблюдении рабочих токов.

NCR  -  в аккумуляторах с такой маркировкой в качестве материала катода используется

никелат лития и кобальт. Этот тип Li-ion аккумуляторов способен выдерживать токи до 2C. Имеет высокую емкость - до 3500mA*h. Главным преимуществом является высокий срок службы - более 500 циклов заряда-разряда. При сборке АКБ из NCR элементов следует учесть, что, если работа батареи планируется на токах, близким к максимально допустимым, то рекомендуется позаботится о контроле температуры, такой возможностью обладают некоторые платы BMS.

Причины возгорания Li-ion аккумуляторов

Основные причины возгорания - это перегрев или механические повреждения.

Если повреждение аккумулятора достаточно сильное, то возгорание может произойти моментально.

Что касается перегрева, он может быть вызван несколькими факторами:

• внешнее тепловое воздействие;
• короткое замыкание;
• перезаряд;
• использование аккумулятора при токах, выше допустимых.

 Если элемент нагревается до 80-90°C, может запустится химическая реакция, которая продолжит его нагревать, при достижении температуры 180-200°C происходит самовозгорание с дальнейшим повышением температуры вплоть до 900°С

Стоит отметить, что, во многих Li-ion аккумуляторах установлен защитный клапан. Это устройство, которое сбрасывает избыточное давление из элемента в случае его перегрева, а так же размыкает электрическую цепь в районе его плюсового контакта. Благодаря защитному клапану во многих экстренных ситуациях удается избежать возгорания и взрыва.

Так же существуют элементы со встроенными платами защиты, которые контролируют минимальное и максимальное напряжение, а так же ограничивают ток. Такие аккумуляторы имеют немного большую длину, и более высокую цену.

Li-pol

Li-pol аккумуляторы очень близки по своим характеристикам к Li-ion.  Они широко используются в мобильных устройствах, носимой электронике, RC моделях и Т.Д.  обладают еще большей энергоемкостью, чем Li-ion. Рабочий диапазон напряжения - минимальное от 2,5 до 2,75V, максимальное - от 4,2 до 4,35V. Ключевое отличие от Li-ion - это огромная разнообразность типоразмеров.

Все причины возгорания Li-ion элементов  справедливы и для Li-pol, но в сравнении с Li-ion такие аккумуляторы гораздо более чувствительны к механическим повреждениям, они "не любят" тряску, и не имеют защитных клапанов.

LiFePO4

Данный тип аккумуляторов чаще всего используется в качестве замены свинцовых АКБ, в резервных источниках питания, а так же в различном электротранспорте. В сравнении с Li-ion имеет более низкую энергоемкость - до 190–250 Вт*ч/кг.

Минимальное напряжение -  2,5V, максимальное - 3,65V.

Это более безопасный тип литиевых аккумуляторов, они имеют очень высокую термическую и химическую стабильность, Т.Е. при перегреве LiFePO4 не самовозгорается. Но так же стоит понимать, что хоть LiFePO4 и не склонен химическому горению, неисправная АКБ, например, при коротком замыкании способна разогреться до высоких температур, что в свою очередь может спровоцировать возгорание окружающих батарею предметов.

LTO

Литий-титанатные аккумуляторы используются там, где требуется большая токоотдача, например, в автомобильных АКБ. Характеризуются высочайшей долговечностью - до 25000 циклов заряда-разряда. Имеют еще более низкую энергоемкость - до 110 Вт*ч/кг.

Минимальное напряжение на элементе - 1,6V, максимальное - 2.7V.

Так же, как и LiFePO4, литий-титанат считается довольно безопасным типом аккумуляторов, т.к. не подвержен самовозгоранию в случае возникновения нештатной ситуации, а так же способен выдерживать огромные токи заряда и разряда.

Техника безопасности. Какие правила следует соблюдать, для безопасного использования литиевых аккумуляторов.

В первую очередь, конечно же, стоит позаботиться о качестве продукта, который вы хотите использовать, будь то ячейки, или готовые аккумуляторные батареи. Стоит использовать товар только от надежных производителей, ведь заказывая аккумуляторы и АКБ у сомнительных поставщиков, есть риск получить не только несоответствие заявленным характеристикам, но и неприятности в виде пожара. Так, например, были случаи, когда особо некачественные аккумуляторы загорались сами по себе во время зарядки, даже если все условия эксплуатации были соблюдены.

Для безопасной работы аккумуляторов необходимо соблюдать следующие условия:

Не допускать перезаряда и переразряда аккумуляторов.

Следить, что бы температура аккумуляторов не поднималась выше 60°C.

Не использовать аккумуляторы, которые были подвергнуты механическим повреждениям, даже если на первый взгляд с ними ничего не произошло.

Не оставлять аккумуляторы в разряженном состоянии, это может привести не только к их деградации, но и к повышению внутреннего сопротивления, что в свою очередь вызовет больший нагрев.

У аккумуляторных батарей обязательно должна быть установлена плата BMS, исключением являются только те случаи, когда устройством предусмотрено отсутствие BMS в АКБ, например - моноколесо.

Не заряжать аккумуляторы при отрицательной температуре.

Соблюдение этих правил сведет к минимуму все риски, связанные с использованием литиевых аккумуляторов.

Действия в экстренной ситуации

В случае если произошло возгорание Li-ion или Li-pol АКБ следует помнить, что это химическое горение, т.е. порошковые и углекислотные огнетушители будут неэффективны, в такой ситуации необходимо как можно быстрее залить его водой, это снизит температуру, и остановит реакцию. В случае если воды не оказалось под  рукой, то самым правильным решением будет убедиться в отсутствии горючих предметов рядом с аккумулятором, и дать ему выгореть, отойдя на безопасное расстояние.    

Стоит отметить, что литиевые аккумуляторы продолжают совершенствоваться, с каждым годом производители стараются делать их не только более емкими, но и более безопасными (защитные клапаны, встроенные платы защиты). В общем и целом, при соблюдении простых правил, литиевые аккумуляторы являются надежным и безопасным источником хранения энергии с массой преимуществ.