Безопасность использования литий-ионных батарей

Тяговые литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) получили широкое распространение в электротранспорте благодаря их преимуществам в виде длительного срока службы, высокой мощности и энергоемкости. С момента резкого увеличения продаж электромобилей, по всему миру были частые несчастные случаи с резким возгоранием аккумулятора. Эти аварии привели к гибели пассажиров, поэтому безопасность становится одной из главных проблем при широком использовании ЛИА.

Безопасность батареи зависит от ее химического состава и условий ее эксплуатации. 

Одной из причин отказа литий-ионного аккумулятора (ЛИА) может быть электрохимическая нестабильность системы. Таким образом, понимание электрохимических реакций, свойств материалов и побочных реакций, происходящих внутри батареи имеет прямое значение для оценки ее безопасности. 

Начнем с принципов работы ЛИА.

ЛИА обычно состоят из четырех основных частей: катода, анода, сепаратора и электролита. Катод и анод являются носителями заряда для накопления и отдачи энергии. Сепаратор физически разделяет электроды для предотвращения внутренних коротких замыканий. Электролит переносит заряженные ионы. При работе электродов выделяется тепло, которое может стать неконтролируемым при неисправности батареи. В свою очередь, электролит может действовать в качестве топлива, поэтому повреждение сепаратора приводит к неконтролируемым электрохимическим реакциям, в том числе и к взрыву.

Литий-ионные элементы были разработаны с учетом следующих мер безопасности батареи:

• Предохранительные вентиляционные отверстия 

Аккумуляторы находятся под давлением, поэтому им нужна внешняя оболочка из металла с предохранительным вентиляционным отверстием. Если существует риск того, что батарея сильно нагреется и взорвется из-за избыточного давления (нарастание давления до 3000 кПа), это вентиляционное отверстие сбросит избыточное давление и предотвратит возгорание других элементов аккумуляторной батареи.

• Сепаратор в качестве предохранителя

В большинстве литий-ионных элементов используется сепаратор, изготовленный из материала, известного как полиолефин, который обладает хорошей химической стабильностью, отличными механическими свойствами и доступен по цене. Он служит предохранителем при нагреве элемента. При чрезмерном нагреве, когда температура ядра ячейки достигает 130°C, сепаратор плавится, что останавливает процесс переноса ионов. Это действие немедленно отключает ячейку. Если бы эта возможность не была обеспечена, то повышение температуры в неисправной ячейке привело бы к тепловому разгону и дальнейшему взрыву.

• Защита от положительного температурного коэффициента

Каждый аккумулятор может быть оснащен специальной  защитой:  двумя устройствами под крышкой аккумулятора. Первое реагирует на положительный температурный коэффициент увеличением сопротивления, а второе разрывает электрическую связь между катодом и положительной клеммой при повышении давления газов внутри аккумулятора выше допустимого предела. Это помогает предотвратить перегрев батареи, защищая ее от скачков тока.

Литий-ионные элементы, как и все элементы питания, подвержены саморазряду. Саморазряд означает, что батареи теряют накопленный заряд без подключения потребителя энергии. Это происходит за счет химических реакций внутри ячейки. Саморазряд ячеек увеличивается с возрастом, количеством циклов заряда/разряда и эксплуатации  в условиях высоких температур.  Отсутсвие контроля за повышенным саморазрядом может привести к тепловому разгону, также известному как «выброс пламени». 

Неверные условия эксплуатация могут привести к аварийным ситуациям:

1. Внешние факторы, такие как эксплуатация батареи в условиях повышенных температур могут привести к ее взрыву. 
2. Зарядка высоким напряжением или чрезмерная разрядка аккумулятора могут повредить его.
3. Постоянная работа батареи на пониженном/повышенном уровне заряда

При очевидных преимуществах использования литий-ионных аккумуляторов, риск возгорания остается.

Небезопасное использование литий-ионных батарей — угроза репутации любого производителя. В случае возникновения поломок или аварийных ситуаций, все претензии будут направлены именно на производство, ведь эксплуатирующая организация не всегда несет ответственность за безопасность.

Система мониторинга батарей поможет не только диагностировать, текущее состояние но и прогнозировать возможные риски. IoT технологии позволяют получать данные поверх модели и вести аналитику по зонам батарей. С помощью сравнительного анализа это помогает выделить группу риска. Совместно с электрохимической моделью аналитики можно повысить уровень безопасности и собирать информацию о состоянии ячеек, модулей, а также выявить стареющие элементы систем.

Платформа  86Bits позволяет:

•  проводить исторический анализ профиля эксплуатации батарей и их кластеризация /сегментация
•  прогнозировать время достижения заданного уровня SoH по кластерам /сегментам
•  получать рекомендации по изменению рабочего диапазона для каждого кластера для продления срока службы батареи