Почему сложно потушить возгорание тяговой литий-ионной батареи
Возгорания тяговых литий-ионных батарей случаются не так уж часто, но потушить их обычно сложно. Чем выше заряд и плотность энергии в ячейках, тем опаснее пожар. Например, для тушения пожара электромобиля с литиевым аккумулятором может потребоваться 10-50 тонн холодной воды, а также специальный огнетушащий аэрозоль из вермикулита. Давайте рассмотрим, почему возникают трудности с тушением.
Основные проблемы
При борьбе с возгораниями литий-ионных батарей ученые сталкиваются со следующими проблемами:
Цепная реакция теплового разгона в аккумуляторном элементе возникает по многим причинам: из-за перезарядки, жаркой среды, производственных дефектов, повреждений.
Литий-ионная батарея может состоять из десятков или сотен ячеек. Перегрев и возгорание одной ячейки вызывает перегрев и возгорание соседних.
Клапаны сброса давления, термостойкие сепараторы, системы терморегуляции и другие средства защиты не всегда эффективны. Например, защитные клапаны часто не справляются с резким ростом внутреннего давления из-за экстремально быстрого образования газов.
Многие химические составы литий-ионных батарей вызывают реакции с образованием кислорода, что усиливает горение. Именно поэтому пожары тяговых аккумуляторов так трудно потушить несмотря на гораздо меньшую энергетическую плотность, чем у бензина.
Постоянно появляются новые химсоставы, добавки, которые улучшают характеристики литиевых аккумуляторов, но плохо изучены с точки зрения пожарной опасности. Каждое новое химическое вещество вносит изменения в протекающие химические реакции. В итоге затруднительно распутать все химические реакции.
Как происходит тепловой разгон
Возгорание литий-ионной батареи начинается в одном элементе в результате химического процесса, называемого тепловым разгоном. В каждом элементе находятся анод и катод. Первый высвобождает электроны, второй поглощает. Анод и катод разделены электроизолирующим слоем (сепаратором), который не пропускает только ионы лития, а для электронов создан внешний путь. Электроны покидают аккумулятор по внешнему пути, совершают определенную работу, а затем снова возвращаются. Если бы сепаратора не было, то между анодом и катодом возникала бы искра короткого замыкания.
Теперь предположим, что одна ячейка в литий-ионной батарее по какой-то причине начинает перегреваться. Когда температура достигает примерно 130-150°С, полимерный сепаратор плавится и возникает искра короткого замыкания. В результате нагрева жидкий электролит может разлагаться и переходить в газообразную форму. В литий-ионных элементах также находятся оксиды металлов, которые при нагревании выделяют кислород. Кислород, в свою очередь, способствует реакциям горения. В итоге содержащиеся в аккумуляторе жидкости и газы могут загореться, что приводит к еще большему выделению тепла и газов. Всё, пожар начался.
Внезапность теплового выброса
Если посмотреть на график теплового разгона литий-ионной батареи, то можно увидеть зависимость роста температуры от времени. Сначала процесс происходит медленно, а затем резко наступает огромный выброс энергии, и температура поднимается до пика примерно за секунду. В какой-то момент, при нагревании всего на 10% скорость реакции повышается в 350 и более раз, что вызывает резкий скачок температуры. Экспоненциальное увеличение скорости реакции значительно превышает линейное увеличение теплоотдачи. Температура литий-ионного аккумулятора с 200°С может сразу подскочить до 1000°С и выше. Результат такого скачка температуры печален. Вот почему для тушения крупных тяговых литиевых батарей приходится использовать тонны холодной воды, только они способны охладить такой пыл.
Влияние температуры на производительность и безопасность литий-ионных аккумуляторов
Температура эксплуатации литий-ионных аккумуляторов допустима в диапазоне от -20 до +60 °С, а для элементов питания подвида LiFePO4 и других морозостойких моделей – от -30 или даже -40 до +55 °С. Но это не значит, что при всех значениях указанного в инструкции рабочего диапазона аккумуляторы будут работать одинаково. Эксплуатация Li-ion элементов при температурах, близких к граничным значениям, негативно отражается на основных характеристиках АКБ, таких как:
- стабильность напряжения;
- уровень рабочей емкости;
- способность запасать и отдавать энергию;
- время работы без подзарядки;
- циклический ресурс.
Систематическое использование в пограничных режимах приводит к ускоренному износу аккумуляторной батареи и ухудшению ее технических параметров. Выход за границы температурного диапазона недопустим, т.к. в лучшем случае приводит к быстрой деградации химических источников тока и делает эксплуатацию АКБ небезопасной.
Лучшая температура для Li-ion аккумуляторов
Идеальная температура для работы литий-ионных АКБ составляет около +20 °С, с возможным отклонением на 5–10 градусов в любую сторону. Для зарядки рекомендован диапазон от +5 до +20 °С, но можно расширить его – от +1 до +30 °С. Для хранения оптимально подходят более низкие значения – от 0 до +10 °С, причем лучше всего хранить Li-ion аккумуляторы частично заряженными, на 30–50%. Если хранить АКБ заряженными на 100%, это приведет к уменьшению восстанавливаемой емкости.
С другой стороны, хранение литиевых ХИТ в состоянии глубокого разряда еще опаснее. В таком случае в структуре химических источников тока происходят необратимые изменения, и восстановить литий-ионные АКБ, которые долго находились в разряженном состоянии, не получится. К тому же, такие попытки могут привести к внутреннему короткому замыканию, возгоранию и другим неприятностям, т.к. при хранении в глубоко разряженном состоянии литиевые аккумы склонны к росту дендритов и другим необратимым изменениям в структуре.
Артикул: 2559
Артикул: 2560
Артикул: 2758
Артикул: 4551
Использование литиевых АКБ на морозе
Большинство литий-ионных батарей на морозе теряют емкость. Также у них наблюдаются просадки напряжения, ухудшение токоотдачи, быстрая разрядка. Это связано с изменениями свойств электролита: снижение температуры негативно сказывается на подвижности ионов, скорости протекания химических реакций и производительности АКБ. Такие изменения носят временный характер и при повышении температурных значений исчезают.
Среди Li-ion элементов питания есть низкотемпературные аккумуляторы, способные эффективно работать при температуре от -40 до +50 °С. Их свойства обусловлены использованием особых электролитов, проводимость которых на морозе остается высокой. Для улучшения характеристик электролита на морозе производители используют специальные добавки, например, дифторфосфат лития LiPO2F2. К морозоустойчивым относятся также литий-титанатные и литий-железо-фосфатные АКБ.
Для остальных видов Li-ion батарей эффективное использование на холоде возможно при условии предварительного утепления корпуса теплоизоляционным материалом и использования системы подогрева с применением слаботоковых элементов. Такие меры минимизируют негативное влияние низких температур и позволяют полноценно использовать литий-ионные АКБ зимой. Также наличие системы подогрева позволяет заряжать литиевые батареи при отрицательной температуре окружающей среды.
Влияние высоких температур
Перегрев для Li-ion батарей так же нежелателен и вреден, как и переохлаждение. Но он еще более опасен, т.к. кроме сокращения срока службы АКБ и снижения рабочих характеристик сопряжен с риском возгорания источника питания. Поэтому аккумуляторные батареи нельзя оставлять рядом с источниками тепла и под воздействием прямых солнечных лучей, накрывать в процессе зарядки и использовать с превышением допустимых токов заряда или нагрузки.
В процессе работы литий-ионные АКБ выделяют тепло. Чем выше токи заряда или разряда и чем больше внутреннее сопротивление элементов, тем интенсивнее их нагрев. Если выделение тепла слишком высоко, да еще и вокруг жара, нагрев может оказаться критичным – с превышением максимального значения рабочего диапазона. В таком случае, как минимум, снижается производительность батареи, уменьшаются значения ее емкости и мощности. Емкость падает из-за потери лития и сокращения активных материалов, а мощность – из-за увеличения внутреннего сопротивления.
При критическом увеличении температуры может произойти тепловой разгон, самовозгорание или взрыв АКБ. Поэтому последствия перегрева еще более губительны, чем итоги переохлаждения. Как минимум, высокие температурные условия приводят к ускоренному старению и сокращению циклического ресурса батарей. Для защиты от перегрева важно не превышать допустимые токовые нагрузки для конкретного типа АКБ (для питания мощной техники – использовать высокотоковые элементы) и позаботиться о полноценном отводе тепла (обдуве АКБ, вентиляции).
Контроль температуры
Соблюдение оптимальных температурных условий при эксплуатации Li-ion элементов питания напрямую влияет на их производительность и безопасность использования. Контроль температуры – одно из важнейших условий для корректного применения литий-ионных АКБ и недопущения нештатных ситуаций.
Для мониторинга рабочих параметров и защиты аккумуляторных батарей от опасных состояний используют BMS платы. Именно эти электронные контроллеры следят, чтобы напряжение, температура, отдаваемые токи и другие параметры не выходили на установленные границы. В опасных ситуациях они просто отключают АКБ от нагрузки или зарядного устройства, не допуская повышения возникших рисков (перегрева , перезаряда, токовых перегрузок и т.д.).
Эффекты при перегреве гораздо сложнее и опаснее, чем при переохлаждении. Поэтому в большинстве БМС плат реализована защита от перегрева, а об утеплении и подогреве АКБ для зимнего использования нужно позаботиться дополнительно. Датчик температуры позволяет контролировать состояние батареи, включать подогрев при снижении значения ниже установленного минимума и отключать при достаточном нагреве.
Подведем итоги
Чтобы минимизировать низко- и высокотемпературные эффекты при эксплуатации Li-ion аккумуляторов, нужно поддерживать комфортные температуры при их работе, хранении и зарядке:
- в идеале – использовать примерно при +20 °С;
- заряжать при +5 … +20 °С;
- хранить при 0 … +10 °С.
Отклонения от идеальных значений допустимы, но только в пределах установленного рабочего диапазона и без критического приближения к граничным температурам. Иначе снижается производительность и безопасность использования аккумуляторов, происходят необратимые структурные изменения и ухудшаются рабочие характеристики. При правильном выборе и корректном использовании АКБ их тепловыделение невысоко, поэтому естественный отвод тепла становится достаточной защитой от перегрева. Дополнительный контроль рабочих параметров и многофункциональную защиту аккумуляторной батареи обеспечивает BMS плата.
При низких температурах замедляется протекание электрохимических реакций и диффузия ионов лития в электродах, снижается ионная проводимость электролитов, повышается их вязкость, увеличивается импеданс направленной миграции ионов лития, растет внутреннее сопротивление, и аккумуляторы временно становятся менее производительными. В плане безопасности минусовые температуры опасны, только если поставить АКБ заряжаться на морозе. Исключение – модели со встроенным предварительным подогревом. Их можно заряжать и при отрицательных температурах окружающей среды.
Kак взрываются литий-ионные аккумуляторы
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?
Литий-ионные аккумуляторы состоят из анода и катода, разделённых пористым полимерным сепаратором. Активным материалом катода чаще всего являются оксиды переходных металлов со встроенными в кристалл ионами лития. В аноде обычно используется графит. Электролит, которым залита электрохимическая ячейка, представляет собой органический раствор солей лития. При первой зарядке, производимой фирмой-изготовителем, при встраивании лития в анод на электродах (особенно на аноде) образуется защитный ион-проводящий слой (SEI), состоящий из разложившегося электролита. Этот слой защищает электроды от паразитических реакций с электролитом.
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 тут.
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…
Причины возгораний Li-ion аккумуляторов, как и чем их тушить
Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы внешне напоминают привычные пальчиковые батарейки, однако имеют огромное преимущество над ними в силе тока и емкости. Им нашлось применение в современных как бытовых приборах, так и в технике: от смартфонов до электромобилей.
Сотовый телефон. Почему они загораются и взрываются?
Следует помнить, что как и любая другая батарейка, литий-ионный аккумулятор несет в себе некоторые риски. Несмотря на то, что такая батарейка имеет относительно небольшой размер, последствия ее взрыва могут быть весьма печальными. Неправильная эксплуатация и утилизация могут стать причиной ожога, отравления и загрязнения окружающей среды.
Но, пожалуй, самое страшное, что может случиться в квартире – это пожар. А значит, каждый обязан быть в курсе того, что делать, если причиной возгорания стал литий-ионный аккумулятор.
Прежде всего следует отметить, что возгорание аккумулятора этого типа – крайне редкое дело. Он скорее вздуется, и из него вытечет электролит, но тем не менее в новостях каждый год описывают случаи взрыва аккумуляторов у смартфонов и прочих гаджетов.
Причины взрыва
Для того чтобы понять отчего происходит самовозгорание литий-ионных аккумуляторов, стоит вспомнить школьный курс физики и химии. Причина кроется в коротком замыкании между катодом и анодом, при котором повышается сила тока, явление разогревает элемент питания. Когда температура нагрева находится в пределах 70-90° С расплавленный литий вступает в реакцию с электролитом.
На эту тему ▼
Действия ударной волны и поражающие факторы
Выделяются взрывоопасные вещества, но без кислорода взрыва не возникает. Верным решением в описанной ситуации станет-разлом корпуса. Так или иначе, возгорание все равно случится, но в данном случае это будет именно горение, а не взрыв. Предположим, что аккумулятор крепкий. В скором времени температура повысится до 200 °С, а материал катода начнет разлагаться с выделением кислорода. Ускорит процесс термическое разложение электролита.
Теперь самое время вспомнить, что присутствие углеводородов, окислителя в виде кислорода и высокая температурная отметка – идеальное сочетание для взрыва.
В дальнейшем стоит ожидать, что взрывной волной будет сорвана крышка батарейного отсека либо пострадает девайс целиком. Второй вариант несет в себя серьезную опасность для пользователя устройства. Не исключено что, нагрев аккумулятора достигнет температуры 660-900 °С. Явление станет свидетельством реакции электролита и графита, расплавится алюминиевый токоприёмник.
Короткое замыкание, как правило, становится следствием физического воздействия на батарею. Если при ударе анод и катод соприкоснутся, подобный исход запустит необратимую реакцию.
Еще одной причиной самовозгорания может стать банальный перегрев, вызванный эксплуатацией неподходящего зарядного устройства или длительного пребывания электроприбора под солнцем. Из-за воздействия высокой температуры АКБ распирает, скорость химических реакций значительно возрастает.
Старение аккумулятора тоже увеличивает риск возгорания смартфона, планшета и гироскутера.
На эту тему ▼
Треугольник огня и пожарный тетраэдр
Чаще всего взрываются батарейки, чей срок службы давно истек. По прошествии 4-5 лет корпус и внутренности батарейки претерпевают изменения вследствие действия электролита, и потому аккумулятор становится крайне уязвим к перепаду температур, вибрации, короткому замыканию и механическим повреждениям. Из-за замыкания химические вещества, содержащиеся внутри аккумулятора, вступают в реакцию и образуют газы. Он начинает греться и вздувается.
Разумеется, аккумулятор обладает защитой: это специальный клапан, который открывается под определенным давлением и позволяет газам выйти наружу. Но иногда скорость реакции внутри настолько велика, что происходит настоящий взрыв батарейки, при котором вы видим потоки искр. Так воспламеняются газы при контакте с кислородом из атмосферы.
Почему взрываются
Как тушить
Как бы мы не старались избежать неприятных ситуаций связанных с возгоранием АКБ, от приобретения некачественной продукции никто не застрахован. Столкнувшись с проблемой возгорания аккумулятора, принадлежащего смартфону, планшету или гироскутеру необходимо четко следовать правилам ликвидации горения:
- Оказавшись в неприятной ситуации – самое главное сохранять спокойствие.
- Если электроприбор задымил, находясь на зарядке – обесточьте его. Для этого нужно ограничить питание при помощи автомата на щитке или вытащить вилку из розетки. Ни в коем случае не касайтесь горящего устройства!
- Остановите поступление кислорода, он поддерживает горение. Накройте устройство кастрюлей или плотным одеялом.
Что делать, если загорелась аккумуляторная батарея мобильного устройства (гаджета)
Внимание. Если химическая реакция в аккумуляторе запущена, остановить ее вряд ли удастся. Либо она прекратится без всякого вмешательства, либо прибор взорвется. Как бы там ни было, стоит позаботиться о том, чтобы последствия были минимальными:
- Если обстоятельства позволяют, выбросьте прибор или батарею, туда, где горение и взрыв не навредит.
- Если времени для раздумья нет – накройте устройство чем-то, что плохо горит и сможет сдержать осколки при взрыве.
Важно. Для тушения чистого лития нельзя использовать воду, соединяясь с ней вещество образует взрывоопасную смесь.
На эту тему ▼
ТОП 4 подручных средства для тушения пожаров
К счастью в современных АКБ в чистом виде металлический литий не применяется, поэтому тушение водой им не повредит. Если же инцидент коснулся не перезаряжаемой литиевой батарейки, тут уж нужно поберечься.
Если устройство было подключено к сети, в первую очередь нужно выдернуть шнур из розетки. Горение аккумулятора от этого не прекратится, но так вы обезопасите себя и свою квартиру от больших повреждений. Постарайтесь отнести устройство в огнеупорное место, например, в ванну или кухонную раковину. Дайте ему просто выгореть и остыть, а затем утилизируйте.
Порошковый огнетушитель – самое действенное средство борьбы с горящим литий-ионным аккумулятором. Но в критической ситуации подойдут любые стандартные противопожарные меры: тушение водой, песком, плотной тканью.
Следует напомнить, что мы говорим об аккумуляторах маленького размера. Тушение водой крупных Li-ion батарей, которыми оснащены электромобили, крайне опасно из-за бурной реакции лития с водой.
