Взрываются ли литий ионные аккумуляторы. Ионно-литиевая смерть вокруг нас

27 сентября 2016 в 21:38

Kак взрываются литий-ионные аккумуляторы

Энергия и элементы питания ,
Химия

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…

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

Други, я думаю все из нас уже слышали об опасности литиумных батарей (всё нижесказанное применимо в полной мере и к ионно-литиевым , Li-ion). В интернет-новостях многие читали (или видели через архаичное телевизионное устройство, которое у многих уверен ещё эксплуатируют их родители), что целые самолеты падают от их внезапных взрывов-самовозгораний, потому к примеру с 16 мая 2012 года USPS (гос.почта США) отказалась принимать для перевозок литиумные батареи (кстати, именно поэтому уже не получится таким способом невозбранно заказывать с eBay всякие iPad, iPhone и другую похожую технику из Америки).

В других же случаях обладатели некоторых телефонов были рандомно убиты их непроизвольным взрывом в самих повседневных условиях, и что называется, на ровном месте. В этом плане старая церковная концепция «провидение Господне » продолжает исправно работать и на рубеже веков, как бы это не хотелось некоторым нынешним адептам научно-технического культа.

Если вы вообще читаете инструкции к зарядкам, то там сказано: нельзя оставлять на зарядку устройство без дальнейшего присмотра (например, заряжать ночью, пока все спят), нельзя ставить, скажем, DEC-телефон на базу и уходить из дома по делам, нельзя в таком же случае оставлять на зарядке ноутбук...

Кстати о последнем. Предлагаю вам свой фото-отчет из первых рук, что порой случается с такими батареями. Сие произошло примерно год назад в нашем офисе с ноутбуком моего коллеги. Неправда, что говорят, что эта участь лишь левых аккумуляторов с мутно-азиатским корнями происхождения — сегодня речь пойдет о сравнительно новом брэндовом ноутбуке DELL Inspiron , купленном в фирменном американском магазине. До сего момента никаких странностей в нём не было замечено, он до сего случая был исправно работающим на оригинальной заводской батарее (внимание, под катом много фоток, трафик).

Адский HELL DELL

Перед демонстрацией ещё раз подчеркиваю, что не было никакого предварительного проливания чего-либо на ноутбук, не было никакого зловредно-циничного ковыряния скрепкой презренного офисного клерка в его нутрях и так далее — это был обычный солнечный рабочий день и мирно работающий ноутбук с запущенным там Excel , и вдруг... в ноуте что-то начинает зверски трещать и попутно из него начинает валить столб дыма, а на яростные крики его владельца, пугливо вжавшегося в противоположную стену от рабочего стола — сбегается весь офис... и вот последствия того, что произошло с ноутбуком в итоге.

В данном случае никто не пострадал, по гарантии ноутбук был быстро заменён, как принято писать в таких случаях — все отделались «лишь легким испугом».

Ещё кейзы с офисной передовой

А вот ниже взяты фотки из новостей уже применительно к телефонам — их владельцам в большинстве случаев не посчастливилось отделаться легким испугом — есть смерти, инвалидности, оторванные руки-ноги и прочие не совсем приятные последствия неуёмного научно-технического прогресса.

Здесь в частности приведу ещё один реальный пример. Самопроизвольно взорвалась батарея мобильного телефона Nokia N71 , батарея с оглушительным свистом пролетела около четырех метров и выжгла приличную дыру в ковролине. К счастью на столе стояла бутылка с минералкой, которой мы успели сразу залить открытое пламя, так что никто не пострадал. Кот был в панике, мы, впрочем, тоже.

Опять же отдельно обращаю внимание: это была оригинальная батарея Nokia, не китайская (на фото ниже она лежит на инструкции изделия Samsung — не обращайте на это внимания, просто на момент происшествия телефон Nokia лежал именно так). Поэтому универсальная отговорка-отмашка производителей — хотите жить, покупайте только оригинальную продукцию (батареи), не всегда реально что-то гарантирует.

Ниже обещанные фотки об инциденте:

В заключении, прикольный ролик с испытаниями ноутбуков (вернее их батарей) — вот так примерно всё и происходит в жизни. В начале ролика видео-сцена из реальной жизни офиса — очень похоже на вышепоказанное, но только в динамике.

А вот под конец ролика (середину и бла-бла-бла советую промотать) — лабораторная демонстрация всех стадий самоуничтожения батареи ноутбука, что также весьма и весьма полезно посмотреть, «во избежании».

Если такой смертоносный процесс запущен и вам вдруг показалось что всё, пронесло, — всё наконец-то выгорело и можно посмотреть что же там случилось, — не приближайтесь к адскому прибору, потому как горение таких батарей в большинстве случаев носит каскадно-цикличный характер, то есть за фазами тишины и безмятежности может запросто последовать очередной взрыв и разлетающиеся куски раскаленного металла и пластмассы.

И что теперь делать-то?

В заключение: будьте осторожны с зарядкой, всегда отключайте электроприборы когда покидаете своё жилье и офис своего работодателя (если вы только не уходите от него насовсем), а для программистов специально — не спите как коты на теплой крышке своего ноутбука, когда хочется немного прилечь-отдохнуть под утро, после «безумной программерской ночи» позади — ваша голова будет мирно покоится на аккумуляторе средней мощностью в 5000mAh , от чего ваш глубокий и здоровый сон может однажды трагически прерваться.

LP Guard - специальный защитный пакет для заряжаемого смартфона и других небольших устройств

При этом программист, работая за ноутбуком никогда не должен забывать, что он — воин, поэтому он должен иметь всегда все дела завершенными, код чистым и отрефакторенным, исходники синхронизированными со своим Github-хранилищем, дабы быть готовым спокойно отойти в мир иной в любой самый неожиданный для него момент.

И давайте наберемся смелости чтобы сказать главное: носить мобилку в карманах своих штанов — это не просто слепая дань нашему времени, это наш вызов обстоятельствам, это наш каждодневный подвиг и способ громко заявить о своей несгибаемой мужской самости и мускулинности.

УТОЧНЕНИЕ: Аккумуляторы запретили провозить только в багаже, просто надо брать технику в салон
— Самый Быстрый Слон (@FastSlon)

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:

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

«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 .

Источники:

Теги: Добавить метки