Оглавление
Литий-ионные аккумуляторы отличаются высокой плотностью энергии, благодаря чему уже много лет являются одним из основных источников питания мобильных устройств. Правда следует учитывать, что если они не оснащены соответствующими системами безопасности, то могут стать реальной угрозой для пользователей.
Начнём с предыстории. Когда Sony представила первую модель литий-ионного аккумулятора в 1991 году, ее инженеры полностью осознавали потенциальные риски связанные с этой технологией. Ранее существовавшие проблемы, связанные с производством и использованием аккумуляторов, содержащих металлический литий, послужили дополнительным предостережением в отношении особой осторожности.
Первые работы по созданию литиевых источников энергии проводились еще в 1912 г., но до начала 1970-х гг. батарей такого типа в продаже не было. Лишь в этот период на рынке были представлены первые модели литиевых АКБ. Дальнейшие работы по созданию продолжились в 1980-х годах.
Первые модели были основаны на использовании металлического лития, благодаря чему они отличались очень высокой плотностью электричества. Но высокая нестабильность лития, особенно в процессе заряда, тормозила дальнейшую работу в этом направлении. Эффективного способа снижения риска взрыва при зарядке найти не удалось, что не способствовало распространению этой технологии. Во время зарядки температура элемента могла очень быстро подняться до температуры плавления лития, что приводило к началу бурной химической реакции.
Значительное количество аккумуляторов этого типа пришлось отозвать в 1991 году после того, как элемент в одной из моделей мобильного телефона во время бурной химической реакции выпустил струю горячих газов, что привело к сильным ожогам лица пользователя.
Из-за высокой нестабильности металлического лития исследования были сосредоточены на использовании неметаллических веществ, содержащих его ионы. Литий-ионные системы характеризуются несколько меньшей плотностью энергии, но однозначно более безопасны в эксплуатации, конечно при соблюдении определенных мер безопасности в процессе зарядки и разрядки.
В настоящее время литий-ионные батареи и аккумуляторы являются одними из самых популярных химических источников энергии, и в то же время одними из самых безопасных в использовании. Ежегодно производится около 2 миллиардов ячеек.
Литий-ионные элементы с катодами из кобальта характеризуются примерно вдвое большей плотностью энергии, чем никелевые элементы, и примерно в 4 раза большей чем кислотные батареи. Их применение просто и не требует специального обслуживания. Аккумуляторы этого типа, в отличие от некоторых других АКБ, не проявляют сильного эффекта памяти, поэтому их можно разряжать и заряжать совершенно свободно, без необходимости детального планирования жизненного цикла. Литий-ионные аккумуляторы также отличаются низким уровнем саморазряда, они достаточно экологичны и легко утилизируются.
По мере развития технологий плотность энергии в литий-ионных элементах растет. В настоящее время она примерно в 2 раза выше, чем в начале 1990-х годов. Платой за этот прогресс является повышенная сложность производственного процесса. Изолирующий барьер в ячейках становится все тоньше, достигая в настоящее время размера 20 мкм. Даже малейшая неточность в производственном процессе может привести к поломке. Современные характеристики литий-ионных элементов приближаются к теоретическим возможностям этой технологии — по этой причине производители концентрируют внимание на совершенствовании методов производства и повышении уровня безопасности.
Риск перегрева ячейки
Даже небольшие ошибки в процессе производства литий-ионных аккумуляторов могут привести к серьезным последствиям. Важным фактором здесь является объем производства — например, после нескольких инцидентов, связанных с самопроизвольным возгоранием аккумуляторов, Apple и Dell решили отозвать в общей сложности почти 6 миллионов ноутбуков — с расчетной вероятностью отказа в отозванных партиях, равной 1 из 200 000.
Этот довольно дорогостоящий инцидент был вызван загрязнением ячеек небольшим количеством металлической пыли. Частицы этой пыли оседали на внутренней структуре ячейки, иногда приводя к короткому замыканию между электродами. В случае небольшого количества пыли эти короткие замыкания только ускоряли саморазряд батареи. Но если бы количество пыли, скопившейся в одной точке, было больше, это могло бы привести к повышению температуры ячейки и, как следствие, к ее самовозгоранию.
Предполагается, что верхняя безопасная рабочая температура литий-ионного элемента составляет 130°C. Если температура ячейки превышает 150°С, она становится термически неустойчивой и может привести к пожару.
В случае с пакетами ячеек, избыточное тепло, выделяемое одной из них, может способствовать возгоранию соседних ячеек — запускать эффект цепной реакции. Чтобы снизить риск такого события, производители отделяют отдельные ячейки специальными перегородками (сепараторами), препятствующими распространению тепла.
Различные типы литий-ионных аккумуляторов
В продаже есть 2 основных типа литий-ионных элементов: элементы с катодом из кобальта и катодом из марганца.
- Кобальтовые элементы используются в мобильных устройствах, таких как телефоны и ноутбуки, из-за их высокой плотности энергии.
- Марганцевые элементы представляют собой относительно новое решение, характеризующееся очень высокой температурной стабильностью и низким уровнем внутреннего сопротивления. Благодаря этому они могут работать при температуре до 250°С, а также отдавать большой ток. В настоящее время ставятся в медицинские приборы и электроинструменты. Недостатком марганцевых элементов является почти вдвое меньшая плотность энергии.
А ещё среди веществ, используемых для производства катода, встречаются никель и алюминий.
Вопросы безопасности лития
При проектировании и производстве литий-ионных элементов важны вопросы соответствующих защит. Типичная система такого типа оснащена следующими механизмами безопасности:
- Соответствующий выбор конструкционных материалов, позволяющий найти компромисс между уровнем плотности энергии и стабильностью ячейки.
- Предохранительные механизмы размещены внутри батареи.
- Электронная схема, контролирующая процесс жизни батареи.
Внутри ячейки обычно можно найти:
- Термистор PTC, ограничивающий ток ячейки. При повышении температуры сопротивление термистора также увеличивается, что снижает протекающий ток. При понижении температуры падает и сопротивление термистора, что восстанавливает нормальное протекание тока в аккумуляторе. По этой причине PTC, в отличие от CID, является многоразовой системой.
- Система Current Interrupt Device (CID) — когда давление или температура внутри батареи превышают определенное значение, она прерывает протекание тока и, таким образом, предотвращает термическую нестабильность элемента. Однако активация CID делает аккумулятор непригодным для использования. CID — это своего рода плавкий предохранитель, который размыкается в случае критического повышения давления.
- Предохранительный клапан является последней линией защиты в случае отказа ячейки. При потере температурной стабильности образуется огромное количество газов, что вызывает быстрый рост внутреннего давления. Как следствие, это может привести к разрыву корпуса. Чтобы предотвратить такую ситуацию используются предохранительные клапаны – избыток газа можно быстро и контролируемо удалить за пределы батареи элементов. В этой роли обычно используется часть корпуса со специально пониженным механическим сопротивлением, которая прорывается, создавая отверстие в случае неблагоприятных условий.
- Сепаратор используется для разделения и, следовательно, прекращения реакции между двумя электродами. Когда температура внутри достигает опасного уровня, такой сепаратор начинает плавиться или деформироваться, создавая физический барьер и тем самым блокируя поток ионов. Срабатывание сепаратора, как и в случае предохранительного клапана, приводит к необратимому повреждению аккумулятора, но позволяет управлять процессом отказа в соответствии с безопасным подходом.
Электронная защита в виде дополнительной схемы (BMS, Battery Management System) встречается в более крупных батареях, состоящих как минимум из нескольких ячеек. Схема BMS, в зависимости от степени развития, может выполнять широкий спектр функций по мониторингу и предупреждению аварийных ситуаций. Наиболее распространенные из них включают в себя:
- Контроль напряжения и тока для каждой ячейки. Может иметь место как при нормальной работе аккумулятора, так и в процессе его зарядки. Он защищает аккумулятор от чрезмерного разряда, а также от перегрева в результате перезарядки.
- Мониторинг температуры отдельных ячеек. Схема BMS может быть оснащена дополнительными термисторами, предназначенными для контроля температуры отдельных ячеек. При обнаружении отклонений от нормы, например, в виде слишком быстрого нагрева, ячейка может быть временно отсоединена от остальной части упаковки.
- Противопожарная защита. Наиболее сложные схемы BMS (используемые в аккумуляторных батареях для электромобилей) могут быть оснащены системами обнаружения огня/дыма и охлаждения элементов.
Стандарты безопасности АКБ
В целях систематизации вопросов безопасности литий-ионных аккумуляторов разработано множество нормирующих и стандартизирующих документов, содержащих требования и рекомендации по проектированию и изготовлению.
Стандарт IEC 62133 (Стандарт испытаний на безопасность литий-ионных элементов и аккумуляторов) определяет требования к процессу тестирования устройств этого типа. Он используется при разработке тестов для ячеек, используемых, например в мобильных устройствах. В нем описываются риски, связанные с химическими процессами, электрическими явлениями, а также механическими факторами, такими как вибрации и удары.
Стандарт UN/DOT 38.3 касается аспектов, связанных с транспортировкой литий-ионных аккумуляторов. В документе описаны несколько тестовых случаев, проверяющих устойчивость к различным видам опасностей, связанных с транспортировкой этого типа оборудования.
IEC 62619 касается общих стандартов безопасности для литий-ионных элементов, используемые в стационарных и мобильных устройствах.
UL 1642 в первую очередь применяется к источникам питания малого и среднего размера, содержащим менее 5 г металлического лития. В основном это относится к продуктам, предназначенным для бытовой электроники.
Для АКБ предназначенных для электромобилей, основным документом является UL2580.
Таким образом, основными факторами, которые могут повлиять на безопасность, относятся перегрев, перегрузка, перенапряжение и механические повреждения. Основными механизмами, влияющими на возникновение таких угроз, являются химические процессы, протекающие внутри ячейки, присутствующие в ее структуре примеси, а также явления связанные с выделением газов и быстрым повышением температуры.
