Добрый день, давайте поговорим о том, как безопасно использовать литий-ионные аккумуляторы, правила их использования и риски, связанные с ними.
В мире, где литий-ионные аккумуляторы являются неотъемлемой частью многих технологических решений, знание и соблюдение мер безопасности крайне важны. Эта статья нацелена на предоставление всестороннего понимания необходимых мер безопасности при использовании, хранении и утилизации литий-ионных аккумуляторов. К сожалению, рассказать сразу обо всем в одной статье не удастся, поэтому придется разделить её на несколько частей.
Не покупайте аккумуляторные батареи, не прочитав и не поняв эти меры безопасности. Кроме того, пожалуйста, прочитайте соответствующую информацию о безопасности (паспорт безопасности) и инструкцию по эксплуатации (технический паспорт) для элемента, установленного в аккумуляторном блоке. Если вы приобретаете этот продукт, вы или лицо, ответственное за этот продукт, должны обладать уровнем технической компетенции, который позволяет безопасно устанавливать и эксплуатировать литий-ионные аккумуляторные батареи. Вы должны понимать, к каким последствиям могут привести ваши действия.
Запреты
Начнем с главного. Поговорим о том, чем ни в коем случае не следует пренебрегать при работе с Li-ion изделиями.
Категорически запрещено превышать номинальные значения, которые указывает производитель аккумулятора, такие как ток заряда - разряда, а также диапазоны температур хранения и эксплуатации. Это влияет не только на срок службы аккумулятора, но и может привести, например, к перегреву аккумулятора с последующим его возгоранием или даже взрывом, что очень опасно для жизни.
Сюда же можно отнести изменение полярности аккумуляторной батареи. Если полярность подключения перепутана, это может вызвать внутреннее короткое замыкание в батарее, поскольку ток будет течь неправильным путем, это может привести к нагреву элемента с последующим возгоранием. Даже если мгновенных катастрофических последствий не произойдет, перепутывание полярности может негативно сказаться на общем сроке службы батареи и ее эффективности.
Не устанавливайте аккумуляторную батарею с применением силы. Во время установки не должно быть никакого сопротивления, это может спровоцировать повреждение изоляции с риском возникновения короткого замыкания.
Не храните и не переносите элементы или аккумуляторные батареи вместе с гвоздями, бусами, шпильками, монетами и другими металлическими предметами – тут, думаю, все понятно, снова же короткое замыкание с последующим возгоранием аккумулятора.
Не бейте, не открывайте, не трясите, не бросайте, не сжигайте, не замыкайте, не прокалывайте и не применяйте чрезмерных усилий к аккумуляторной батарее, чтобы предотвратить риск её повреждения и дальнейшего возгорания.
Также, не паяйте напрямую к аккумуляторному элементу обычным паяльником, только точечной сваркой, это необходимо для предотвращения перегрева аккумулятора, так как это может повлиять на его функциональность, как минимум. Самое страшное, что даже небольшой перегрев может привести и к разгерметизации с последующим самовоспламенением, и к расплавлению сепаратора, и внутреннему КЗ, с дальнейшим перегревом аккумулятора. Например, в своих блоках питания компании Аретта мы используем только точечную сварку, а силовые провода сначала припаиваем на специальную ленту для сварки блоков, а затем только привариваем ее к аккумуляторной батарее точечной сваркой.
Ведь литий – это достаточно опасное вещество, и этим нельзя пренебрегать.
Взрывоопасность
Выше описанно, что li-ion аккумулятор может взорваться, теперь речь пойдет о том, как это происходит и почему перегрев аккумулятора иногда может привести к травмированию человека.
Разберём перегрев литиевого аккумулятора по порядку, например, в случае его короткого замыкания металлическим проводником.
Когда происходит короткое замыкание в литий-ионном аккумуляторе, это значает, что происходит прямое соединение между анодом и катодом через электролит, минуя внутреннее сопротивление аккумулятора. Это приводит к резкому увеличению тока, который может протекать через аккумулятор. Вот несколько причин, по которым литий-ионный аккумулятор нагревается при коротком замыкании:
- Высокий ток. Короткое замыкание приводит к протеканию через аккумулятор очень большого тока, гораздо большего, чем он рассчитан выдерживать. Этот высокий ток вызывает резкое повышение температуры внутри аккумулятора из-за эффекта Джоуля-Ленца (теплота, выделяемая в проводнике при протекании через него электрического тока).
- Внутреннее сопротивление. Несмотря на то, что короткое замыкание минимизирует сопротивление между анодом и катодом, сам аккумулятор все равно обладает внутренним сопротивлением. Когда через него протекает высокий ток, энергия преобразуется в тепло в соответствии с законом Ома (V = IR), где V - напряжение, I - ток, R - сопротивление.
- Химические реакции. Короткое замыкание может вызвать неконтролируемые химические реакции внутри аккумулятора, особенно между литием и электролитом. Эти реакции могут быть экзотермическими, то есть выделяющими тепло.
- Повреждение сепаратора. Сепаратор между анодом и катодом предотвращает их прямой контакт, но при коротком замыкании он может повредиться. Это приводит к еще большему снижению сопротивления и увеличению тока, что вызывает дополнительное выделение тепла.
- Термический пробой. Высокая температура, вызванная коротким замыканием, может привести к термическому пробою, когда тепловые эффекты вызывают дальнейшее ухудшение характеристик аккумулятора, увеличивая ток и температуру в порочном круге, который может привести к воспламенению или даже взрыву аккумулятора.
И вот здесь, когда аккумулятор нагревается выше 85 °C, ионно-проводящий защитный слой на аноде начинает разлагаться, после чего литий в аноде вступает в реакцию с электролитом, которая в свою очередь провоцирует химическую реакцию при которой начинают выделяться летучие углеводороды (Метан, этан и т.д). В этот момент, возгорание не происходит по той причине, что аккумулятор герметичный и внутри него отсутствует кислород, а без кислорода горения не будет. Но здесь всё только начинается, внутри аккумулятора начинает стремительно расти давление и его температура тоже повышается. Из-за таких случаев в целях защиты в аккумуляторе предусмотрена система, в виде плавкого электрода или клапана, который сбрасывает давление и предотвращает дальнейший нагрев и взрыв. Но что если КЗ произошло внутри аккумулятора?
Если температура аккумулятора превысит отметку в 180°C, катод который представляет из себя оксид переходных металлов с встроенным в кристалл литием, вступает в реакцию дисмутации и начинается активное выделение кислорода. Теперь ничто не мешает гореть веществам внутри аккумуляторной батареи, ведь кислород уже начал выделяться. Когда начинается процесс возгорания, температура повышается ещё сильнее и электролит внутри подвергается термическому разложению, которое влечёт за собой ещё большее количество выделяемого тепла.
Именно в этот момент самая высокая вероятность его взрыва, если аккумуляторный элемент не имеет защитного клапана, и давление внутри аккумулятора не будет выходить наружу, а будет накапливаться внутри. Выглядит это так:
В современных реалиях , проектировщики энергосберегающих систем интегрировали передовые защитные механизмы против случайного возгорания аккумулятора, при этом чем объемнее аккумулятор и чем больше ток он может отдавать, тем значительнее масштабы его защиты. Особую роль в предотвращении минимальных коротких замыканий играет уникальный пористый барьер, который при повышении температуры на локальном уровне трансформируется в непроходимый щит. Однако, существуют случаи, когда стремительный рост температуры приводит к тому, что сепаратор плавится, обеспечивая прямой контакт между анодом и катодом.
Кроме того, в аккумуляторах установлены специальные защитные устройства — плавкие предохранители и системы клапанов, которые в ситуациях увеличения давления и температуры внутри либо отключают электроды от цепи, либо позволяют накопившимся газам выходить наружу. В последнем случае легковоспламеняющиеся газы, вступая в реакцию с кислородом воздуха, могут вызвать возгорание.
Именно поэтому, даже наличие таких защитных систем, не может гарантировать безопасность человека, находящегося рядом с аккумулятором, в момент его взрыва.
Будем благодарны за оставленные отзывы, а так же обратную связь по контактам указанным в разделе “Контактная информация”.
Всем хорошего дня и рабочих аккумуляторов)
Так же, вы можете купить аккумуляторные блоки 18650, 21700 (6s2p, 6s3p, 6s4p) на нашем сайте ознакомившись с каталогом товаров.
Мы предоставляем услуги по ремонту аккумуляторных батарей, и производим аккумуляторные блоки питания на заказ под потребности клиента, для этого воспользуйтесь услугой обратного звонка, или свяжитесь с нами по контактам указанным в разделе Контактная информация.
Источники:
» Journal of The Electrochemical Society, 158 3 R1-R25 2011
» Journal of Power Sources 208 (2012) 210– 224
