Останнім часом тема самозаймання літій-іонних акумуляторів часто зустрічається в заголовках новин. Так що ж відбувається всередині акумулятора під час термічного розгону і чому виникає самозаймання? Літій-іонні акумулятори складаються з анода і катода, розділених пористим полімерним сепаратором. Активним матеріалом катода зазвичай є оксиди перехідних металів із вбудованими у кристал іонами літію. У аноді зазвичай використовується графіт. Електроліт, яким залита електрохімічна комірка, представляє собою органічний розчин солей літію. При першому заряджанні, яке здійснюється фірмою-виробником, при вбудовуванні літію в анод на електродах (особливо на аноді) утворюється захисний іон-провідний шар (SEI), складається з розкладеного електроліту. Цей шар захищає електроди від паразитних реакцій з електролітом.
Причини самозаймання літій-іонних акумуляторів
Найчастіше причиною самозаймання акумуляторів є коротке замикання всередині електрохімічної комірки. Електричний контакт між анодом і катодом може виникнути з багатьох причин. Це може бути, наприклад, механічне пошкодження комірки. Ще внутрішнє коротке замикання виникає через порушення технології виробництва при нерівній різці електродів або потраплянні металевих частинок між анодом і катодом, що веде до пошкодження пористого сепаратора. Також причиною внутрішнього короткого замикання може бути “проростання” ланцюжків металевого літію (дендритів) через сепаратор. Такий ефект виникає, якщо іони літію не встигають вбудуватися в кристал анода при занадто швидкому заряджанні або низькій температурі, а також якщо ємність активного матеріалу катода перевищує ємність анода, в результаті чого на поверхні анода з’являються мікроскопічні відкладення, які поступово зростають.
Механізм самозаймання літій-іонних акумуляторів
Після того, як сталося коротке замикання, акумулятор починає нагріватися. Коли температура досягає 70-90 °C, іон-провідний захисний шар на аноді починає розкладатися. А далі літій, вбудований у анод, вступає в реакцію з електролітом, виділяючи летючі вуглеводні: етан, метан, етилен і т.д. Але, незважаючи на наявність такої вибухонебезпечної суміші, загоряння не відбувається, оскільки в системі поки немає кисню. Оскільки реакції з електролітом екзотермічні, температура і тиск всередині акумулятора продовжують зростати. Коли температура досягає 180-200 °C, матеріал катода, зазвичай представляє собою оксид перехідних металів із вбудованим у кристал літієм, вступає в реакцію диспропорціонування і виділяє кисень. Ось тут і відбувається самозаймання і ще більший різкий стрибок температури. Паралельно відбувається термічний розклад електроліту (200 °C), також виділяючи тепло. Коли температура досягає 660 °C, вступає в реакцію графіт, а при температурі понад 900 °C розкладання матеріалів зазвичай не відбувається.
Акумулятори мають різноманітні системи захисту від самозаймання, і чим більше і потужніше акумулятор, тим більше захисних заходів він містить. Зокрема, пористий сепаратор є одним зі способів захисту від невеликого короткого замикання. Але іноді температура зростає занадто швидко, і сепаратор просто плавиться, в результаті чого анод з’єднується з катодом. Також акумулятори обладнані предохранителями і клапанами, які при підвищенні тиску та температури або відключають електроди від ланцюга, або сприяють виходу зібраного газу назовні. Літій-іонні акумулятори також обладнані контролерами, сенсорами, балансерами заряду і т.д. Як видно з цього поста, найбільш небезпечним компонентом акумулятора є електроліт, який розкладається на легкозаймисті компоненти при підвищенні температури.
Методи безпеки в літій-іонних батареях
Звичайні пристрої безпеки BMS
Забезпечення безпеки літієвих батарей вимагає ефективних механізмів струмообмеження. Прості пристрої безпеки, такі як пристрої з позитивним тепловим коефіцієнтом, використовуються для реагування на високі температури (BMS). Ефективність цих пристроїв залежить від кількох факторів, таких як температура оточуючого середовища, ізоляція контейнера, виділене тепло від обладнання, нагрівання від розряду батареї, а також швидкість та тривалість розряду. Використання цих механізмів допомагає знизити ризик виникнення небезпечних умов та забезпечити безпечну роботу літієвих батарей у різних пристроях.
Самовідновлювальні пристрої
Дані пристрої автоматично відновлюються після виходу з ладу, уникаючи необхідності частої заміни та складного технічного обслуговування. Ці пристрої, з позитивним температурним коефіцієнтом, використовують матеріали, опір яких різко зростає зі збільшенням температури. Вони ефективно усувають обмеження, пов’язані з розміром та вартістю вбудованих пристроїв, таких як магнітні або термоперемикачі, і стали прогресивними рішеннями для забезпечення безпеки літій-іонних батарей. Дія самовідновлювальних пристроїв заснована на спеціальних матеріалах, які забезпечують різке зростання опору при підвищенні температури.
Сепаратори відключення
Сепаратори для літій-іонних акумуляторів є поліолефінові мікропористі плівки і, як правило, одновісно витягнутий поліетилен (ПЕ) і поліпропілен (ПП), двовісно витягнутий ПЕ або мультиаксіально витягнутий ПП/ПЕ/ПП. На додаток до звичайних характеристик, таких як хороша механічна міцність, проникність для електроліту, ці мікропористі сепаратори мають захисні властивості при пошкодженні клітин. Ці властивості мікропористих сепараторів полягають у здатності утримувати ізольованими окремі ділянки акумулятора навіть після механічних пошкоджень, що допомагає запобігти потенційним коротким замиканням та подальшим виникненням небезпечних ситуацій.
Також одним з варіантів механізму безпеки для літій-іонних акумуляторів є використання автоматичних вогнегасників, які можна встановлювати в системах акб. Це дозволяє уникнути непередбачуваних ситуацій, пов’язаних з можливими загоряннями або пожежами в батареях.
Як висновок батареї можуть бути потенційно небезпечними, якщо користувач неправильно їх використовує або не ретельно розроблений виробником. Усвідомлюючи наслідки, виробники акумуляторів включають різні заходи безпеки у конструкцію своїх елементів. У той час як виробник робить все можливе, щоб зробити свою продукцію надійною, така ж відповідальність лежить на користувачеві, який повинен дотримуватися Інструкції з експлуатації, що додаються виробником до блоку живлення, щоб уникнути помилок при поводженні з ним.
