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 бытовых приборах: от смартфонов до видеокамер.

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 . А значит, каждый обязан быть в курсе того, что делать, если причиной возгорания стала литий-ионная батарейка.

Прежде всего следует отметить, что возгорание батарейки этого типа – крайне редкое дело. Батарейка скорее вздуется, и из нее вытечет электролит, но тем не менее в новостях каждый год описывают случаи взрыва аккумуляторов у смартфонов и прочих устройств.

Каковы причины взрыва Li-ion аккумулятора?

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. Батарейка 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.

Как тушить такой пожар?

Если устройство было подключено к сети, в первую очередь нужно выдернуть шнур из розетки. Горение батарейки от этого не прекратится, но так вы обезопасите себя и свою квартиру от больших повреждений. Постарайтесь вынуть аккумулятор из устройства и отнести его в огнеупорное место, например, в ванну или кухонную раковину. Если есть возможность, 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.

Самовозгорание литиевого Li-ion аккумулятора

В то время как литий-ионные батареи в целом невероятно безопасны, они очень редко загораются или взрываются. Когда это происходит, например, с Galaxy Note 7 от Samsung или недавним отзывом ноутбука HP, это всегда большие новости. Итак, что происходит и почему батареи иногда выходят из строя? Расскажем в этой статье.

Аккумуляторные литий-ионные батареи — это тип батареи, которая находится внутри Вашего ноутбука, телефона, планшета и почти любого другого современного гаджета, который у Вас есть, а также электрические автомобили и самолеты.

Что внутри литий-ионной батареи?

Чтобы понять, почему литий-ионные батареи иногда взрываются, Вам нужно знать, что происходит внутри. Внутри каждой литий-ионной батареи есть два электрода: положительно заряженный катод и отрицательно заряженный анод, разделенный тонким слоем микроперфорированного пластика, который удерживает два электрода от касания. Когда Вы заряжаете литий-ионную батарею, ионы лития выталкиваются электричеством из катода, через микроперфляции в сепараторе и электропроводящей жидкости, а также в анод. Когда батарея разряжается, происходит обратное с ионами лития, текущими от анода к катоду. Это реакция, которая питает Ваш ноутбук.

Маленькие батареи, такие как у смартфонов, обычно имеют только одну литий-ионную ячейку. Большие батареи, как и ноутбуках, обычно имеют от 6 до 12 литий-ионных элементов. Батареи в электрических машинах и самолетах могут иметь сотни ячеек.

Что делает литий-ионную батарею взрывоопасной?

То, что делает литий-ионные батареи полезными, также дает им способность загореться или взорваться. Литий действительно хорош в хранении энергии. Когда он выпущен как струйка, он весь день заряжает Ваш телефон. Когда он будет выпущен весь за один раз, батарея может взорваться.

Большинство литий-ионных батарейных пожаров и взрывов сводится к проблеме короткого замыкания. Это происходит, когда пластиковый сепаратор выходит из строя и позволяет касаться анода и катода. И как только эти двое соприкасаются, батарея начинает перегреваться.

Существует ряд причин, по которым разделитель может выйти из строя:

• Дефекты дизайна или изготовления: аккумулятор плохо разработан, как в случае с Galaxy Note 7. В этом случае недостаточно места для электродов и сепаратора в батарее. В некоторых моделях, когда батарея немного увеличилась при зарядке, электроды согнулись и вызвали короткое замыкание. Даже хорошо спроектированная батарея может выйти из строя, если контроль качества не будет достаточно тщательным или есть дефект в производстве.
• Внешние факторы: Экстремальное тепло почти гарантированно вызывает отказ. Известно, что батареи, находящиеся слишком близко к источнику тепла или попавшим под огонь, взрываются. Другой внешний фактор может привести к сбою литий-ионной батареи. Если Вы проткнете батарею (случайно или намеренно), то Вы почти наверняка вызовете короткое замыкание.
• Проблемы с зарядным устройством: плохо сделанное или плохо изолированное зарядное устройство также может повредить литий-ионный аккумулятор. Если зарядное устройство замыкает или генерирует тепло рядом с батареей, оно может нанести достаточный урон, чтобы вызвать сбой. Поэтому мы рекомендуем использовать только официальные зарядные устройства (или, по крайней мере, высококачественные сторонние устройства от уважаемых брендов). Литий-ионные аккумуляторы имеют встроенные средства защиты, чтобы остановить их перезарядку. Хотя очень редко, если эти меры предосторожности терпят неудачу, перезарядка приводит к перегреву батареи.
• Несколько ячеек: хотя они не имеют отношения к батареям с одной ячейкой, подобным тем, которые присутствуют на большинстве смартфонов (на самом деле у iPhone X есть две ячейки), только одна батарейная ячейка должна быть неисправна чтобы испортить всю батарею. Как только одна ячейка перегревается, Вы получаете эффект домино, называемый «Thermal Runaway». Для батарей с сотнями ячеек, подобных тем, что у Tesla Model S-thermawaway, потенциально может быть действительно большой проблемой.

Несмотря на то, что литий-ионные батареи иногда взрываются — это безопасная и зрелая технология. Тот факт, что это всегда новости, когда батарея взрывается неожиданно, показывает, насколько редко случаются эти большие неудачи. Производители аккумуляторов устанавливают множество мер предосторожности для предотвращения сбоев батарей или, по крайней мере, смягчают ущерб, который может вызвать сбой.

Пользователи смартфонов и планшетов конечно знают о проблеме взрывоопасности литиевых аккумуляторов своих гаджетов. И за яркими примерами далеко ходить не приходится. Недавно, например, компания Самсунг столкнулась с наболевшей проблемой лично, и была вынуждена отозвать первую серию нового Note 7, поскольку аккумуляторы взрывались прямо в процессе зарядки. Так или иначе, проблема остается таковой с начала появления сотовых телефонов, ИКАО даже в 2016 году запретила к перевозке в грузовых отсеках гражданского транспорта коммерческие партии .

Дело в том, что в процессе заряда литиевого аккумулятора в мобильном устройстве, при помощи встроенного в аккумулятор микроконтроллера реализуется довольно сложный алгоритм осуществления этого процесса, чтобы температура батареи не выходила бы за пределы приемлемого температурного диапазона. Контроллер отслеживает для этой цели многие параметры батареи в процессе ее зарядки.

Кроме непосредственно процесса зарядки, хранение аккумулятора тоже требует соблюдения некоторых правил, особенно касательно температуры: нельзя ни перегревать, ни переохлаждать аккумулятор.

Основная проблема, приводящая к взрыву аккумуляторов — это чрезмерный разогрев электролита из-за превышения допустимой температуры или вследствие короткого замыкания внутри аккумуляторной ячейки . Цепная реакция легко инициируется внутри перегревшейся ячейки, ведь щелочной металл литий очень легко воспламеняется, вследствие чего батарея вздувается и в худшем случае — взрывается.

И даже несмотря на наличие «внимательного» контроллера, случайный заводской брак (недостаточная толщина изолятора между ячейками) может иметь место и привести к печальным последствиям.

Конечно опасны удары, пробои, проколы, перегрев на солнце. Даже если батарея упала и слегка ударилась, внутри может произойти нарушение изолятора, и в дальнейшем это возможно приведет к внезапной неприятности, даже без явного перегрева.

Анод и катод литий-ионного аккумулятора разделены сепаратором из пористого полимера. Катод имеет на себе активный материал, в качестве которого зачастую применяют оксиды переходных металлов, в которые встроены ионы лития. Анод, как правило, графитный. Органический раствор солей лития используется в качестве электролита.

При первой зарядке на заводе, литий встраивается в анод и на электродах образуется слой разложившегося электролита, который теперь служит защитой от лишних реакций, оставаясь при этом ион-проводящим.

Как отмечалось выше, внутреннее короткое замыкание — одна из основных причин самовозгорания аккумулятора. Причиной же самого короткого замыкания может стать физическое повреждение или заводской брак, типа неровной нарезки электродов или попадания металлических частиц между катодом и анодом, которые нарушают целостность слоя сепаратора.

Еще одна причина замыкания — прорастание цепочек металлического лития через сепаратор (если ионы лития еще на заводе не успели до конца встроиться в кристалл анода из-за чрезмерно быстрой зарядки или от переохлаждения, либо если емкость активного материала катода больше емкости анода, что приводит к отложениям на аноде, которые потом медленно, но неумолимо растут).

Так вот, если короткое замыкание произошло, то температура аккумулятора начинает подниматься, и при достижении 70-90°C начинается разложение защитного ион-проводящего слоя анода. Литий анода реагирует с электролитом, при этом выделяются горючие углеводороды, такие как этилен, метан, этан и т. д. Но до возгорания еще рано, ведь не хватает кислорода.

Между тем экзотермическая реакция идет и температура растет, давление внутри корпуса аккумулятора повышается. При 180-200°C начинается реакция диспропорционирования на катоде, где и выделяется кислород. Происходит воспламенение, температура резко повышается, а электролит термически разлагается, температура уже 200-300°C.

Наконец, наступает очередь графита, и с достижением температуры в 660°C начинает плавиться алюминий токоприемника. Максимальная температура во всем этом процессе обычно не успевает превысить 900°C, поскольку все быстро заканчивается полным разложением внутренних компонентов аккумулятора.

Уже есть успехи в поисках решения проблемы

Для решения проблемы производителям смартфонов можно ужесточить регулирование, сделать дополнительные предохранители в аппаратах и в аккумуляторах, усложнить контроллеры, однако это приведет к удорожанию аккумуляторов и всей продукции, в комплекте с которой аккумулятор продается. Компании конкурируют между собой, и просто экономически не могут пойти на это.

А тем временем за безопасность литиевых аккумуляторов борются физики из Стенфорда, которые еще летом 2015 года разработали специальный защитный механизм, встраиваемый в аккумулятор уже на стадии производства.

По сути речь идет о новом виде литиевых батарей, которые автоматически отключаются при достижении их внутренностями потенциально опасной температуры (что и предотвращает процесс, приводящий к последующему возгоранию), а через некоторое время, после остывания, автоматически включаются вновь.

Разработка велась несколько лет коллективом из нескольких человек (в числе которых Чженань Бао), в итоге получилась батарея, лишенная двух главных недостатков — резкого снижения емкости аккумулятора после нескольких циклов перезаряда и, что более важно, склонности к возгораниям и взрывам из-за перегрева (цепная реакция автоматически останавливается).

Решение пришло к ученым совсем из другой области физики. Они делали термометры используя наночастицы никеля, встроенные в тонкий лист из графена и пластика. Это были необычные термометры. В покое частицы никеля друг с другом соприкасались, то есть получался хороший проводник тока. Но когда лист разогревался, пластик начинал немного расширяться, что приводило к ослаблению контакта между проводящими никелевыми частичками, и сопротивление всего проводника возрастало.

Вот это свойство и применили исследователи из Стенфорда для мгновенной автоматической защиты литиевых батарей и для полного автоматического восстановления контакта после остывания. Они приклеили лист такого пластика к одному из электродов батареи, чтобы он терял проводимость с ростом температуры. И когда температура достигает 70°C

Но несмотря на найденное решение, производители мобильных устройств все равно не решаются резко менять наработанную годами технологию производства своих аккумуляторов. Поэтому пользователям гаджетов придется еще на некоторое время смириться с наличием потенциальной опасности литиевых батарей, и стараться не ронять и не перегревать свои мобильные устройства, а тем более аккумуляторы. Возможно в скором будущем проблема будет полностью решена.

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:

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

1. «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 .

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…