Li ion аккумуляторы взрываются. Как и чем тушить литиевые аккумуляторы: причины возгораний

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 .

Други, я думаю все из нас уже слышали об опасности литиумных батарей (всё нижесказанное применимо в полной мере и к ионно-литиевым , Li-ion). В интернет-новостях многие читали (или видели через архаичное телевизионное устройство, которое у многих уверен ещё эксплуатируют их родители), что целые самолеты падают от их внезапных взрывов-самовозгораний, потому к примеру с 16 мая 2012 года USPS (гос.почта США) отказалась принимать для перевозок литиумные батареи (кстати, именно поэтому уже не получится таким способом невозбранно заказывать с eBay всякие iPad, iPhone и другую похожую технику из Америки).

В других же случаях обладатели некоторых телефонов были рандомно убиты их непроизвольным взрывом в самих повседневных условиях, и что называется, на ровном месте. В этом плане старая церковная концепция «провидение Господне » продолжает исправно работать и на рубеже веков, как бы это не хотелось некоторым нынешним адептам научно-технического культа.

Если вы вообще читаете инструкции к зарядкам, то там сказано: нельзя оставлять на зарядку устройство без дальнейшего присмотра (например, заряжать ночью, пока все спят), нельзя ставить, скажем, DEC-телефон на базу и уходить из дома по делам, нельзя в таком же случае оставлять на зарядке ноутбук...

Кстати о последнем. Предлагаю вам свой фото-отчет из первых рук, что порой случается с такими батареями. Сие произошло примерно год назад в нашем офисе с ноутбуком моего коллеги. Неправда, что говорят, что эта участь лишь левых аккумуляторов с мутно-азиатским корнями происхождения — сегодня речь пойдет о сравнительно новом брэндовом ноутбуке DELL Inspiron , купленном в фирменном американском магазине. До сего момента никаких странностей в нём не было замечено, он до сего случая был исправно работающим на оригинальной заводской батарее (внимание, под катом много фоток, трафик).

Адский HELL DELL

Перед демонстрацией ещё раз подчеркиваю, что не было никакого предварительного проливания чего-либо на ноутбук, не было никакого зловредно-циничного ковыряния скрепкой презренного офисного клерка в его нутрях и так далее — это был обычный солнечный рабочий день и мирно работающий ноутбук с запущенным там Excel , и вдруг... в ноуте что-то начинает зверски трещать и попутно из него начинает валить столб дыма, а на яростные крики его владельца, пугливо вжавшегося в противоположную стену от рабочего стола — сбегается весь офис... и вот последствия того, что произошло с ноутбуком в итоге.

В данном случае никто не пострадал, по гарантии ноутбук был быстро заменён, как принято писать в таких случаях — все отделались «лишь легким испугом».

Ещё кейзы с офисной передовой

А вот ниже взяты фотки из новостей уже применительно к телефонам — их владельцам в большинстве случаев не посчастливилось отделаться легким испугом — есть смерти, инвалидности, оторванные руки-ноги и прочие не совсем приятные последствия неуёмного научно-технического прогресса.

Здесь в частности приведу ещё один реальный пример. Самопроизвольно взорвалась батарея мобильного телефона Nokia N71 , батарея с оглушительным свистом пролетела около четырех метров и выжгла приличную дыру в ковролине. К счастью на столе стояла бутылка с минералкой, которой мы успели сразу залить открытое пламя, так что никто не пострадал. Кот был в панике, мы, впрочем, тоже.

Опять же отдельно обращаю внимание: это была оригинальная батарея Nokia, не китайская (на фото ниже она лежит на инструкции изделия Samsung — не обращайте на это внимания, просто на момент происшествия телефон Nokia лежал именно так). Поэтому универсальная отговорка-отмашка производителей — хотите жить, покупайте только оригинальную продукцию (батареи), не всегда реально что-то гарантирует.

Ниже обещанные фотки об инциденте:

В заключении, прикольный ролик с испытаниями ноутбуков (вернее их батарей) — вот так примерно всё и происходит в жизни. В начале ролика видео-сцена из реальной жизни офиса — очень похоже на вышепоказанное, но только в динамике.

А вот под конец ролика (середину и бла-бла-бла советую промотать) — лабораторная демонстрация всех стадий самоуничтожения батареи ноутбука, что также весьма и весьма полезно посмотреть, «во избежании».

Если такой смертоносный процесс запущен и вам вдруг показалось что всё, пронесло, — всё наконец-то выгорело и можно посмотреть что же там случилось, — не приближайтесь к адскому прибору, потому как горение таких батарей в большинстве случаев носит каскадно-цикличный характер, то есть за фазами тишины и безмятежности может запросто последовать очередной взрыв и разлетающиеся куски раскаленного металла и пластмассы.

И что теперь делать-то?

В заключение: будьте осторожны с зарядкой, всегда отключайте электроприборы когда покидаете своё жилье и офис своего работодателя (если вы только не уходите от него насовсем), а для программистов специально — не спите как коты на теплой крышке своего ноутбука, когда хочется немного прилечь-отдохнуть под утро, после «безумной программерской ночи» позади — ваша голова будет мирно покоится на аккумуляторе средней мощностью в 5000mAh , от чего ваш глубокий и здоровый сон может однажды трагически прерваться.

LP Guard - специальный защитный пакет для заряжаемого смартфона и других небольших устройств

При этом программист, работая за ноутбуком никогда не должен забывать, что он — воин, поэтому он должен иметь всегда все дела завершенными, код чистым и отрефакторенным, исходники синхронизированными со своим Github-хранилищем, дабы быть готовым спокойно отойти в мир иной в любой самый неожиданный для него момент.

И давайте наберемся смелости чтобы сказать главное: носить мобилку в карманах своих штанов — это не просто слепая дань нашему времени, это наш вызов обстоятельствам, это наш каждодневный подвиг и способ громко заявить о своей несгибаемой мужской самости и мускулинности.

УТОЧНЕНИЕ: Аккумуляторы запретили провозить только в багаже, просто надо брать технику в салон
— Самый Быстрый Слон (@FastSlon)

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.

Samsung недавно отозвал смартфоны Galaxy Note 7 после того, как несколько пользователей сообщили о возгораниях и взрывах батарей. Чем это было вызвано, и почему литий-ионные батареи имеют такую плохую репутацию из-за возникновения возгораний.

Великий Отзыв

Samsung объявил, что все устройства Galaxy Note 7 должны быть отозваны из-за сообщений пользователей о перегреве батарей, возгораниях и даже взрывах. Galaxy Note 7 был выпущен 2 сентября 2016 года (предзаказы начались с 16 августа) и находился на витринах магазинов в течение месяца. Тем не менее, это не означает, что все устройства Samsung опасны, так как из 1 миллиона общего количества проданных в США устройств лишь у 92 была обнаружена неисправность.

Тем не менее, эти инциденты привлекли много внимания у средств массовой информации, так как неисправность, появляющаяся у устройств, представляла опасность для людей и могла быть причиной пожара (о чем и узнал один из пользователей , оставив телефон заряжаться в автомобиле).

Но почему эти батареи загорелись? Что в литий-ионных батареях может привести их к такому взрывному концу? Чтобы ответить на эти вопросы, мы должны понять, как работает литий-ионный аккумулятор.

Литий-ионные аккумуляторы

Как и большинство аккумуляторов, литий-ионные аккумуляторы состоят из трех основных частей: анод (клемма +), электролит и катод (-).

В литий-ионных батареях анод обычно изготовлен из оксида лития-кобальта LiCoO 2 (в новых батареях может использоваться фосфат лития-железа LiFePO 4), а катод выполнен из углерода. Электролит в таких аккумуляторах должен иметь возможность передавать положительные ионы между электродами, но и быть изолятором для электрического тока (потока электронов). Электролиты в разных аккумуляторах могут различаться, но, как правило, это соли лития в органическом растворителе.

Цикл заряда

Когда литий-ионный аккумулятор заряжается, ионы лития удаляются из анода и внедряются в пористый углеродный катод. В то же время электроны из анода удаляются и переносятся к катоду, где они соединяются с ионами, и металлический литий оседает в углероде.

Цикл разряда

Во время цикла разряда (когда между клеммами аккумулятора подключена нагрузка) электроны из катода притягиваются к аноду, что приводит к тому, что внедренные в углеродный катод ионы лития возвращаются через электролит обратно к аноду, где они снова соединяются с электронами и образуют металлический литий.

Поток электронов и поток ионов в электролите дополняют друг друга, и заряд может происходить только, если оба этих процесса активны. Если кто-то остановится (например, поток электронов), то остановится и другой процесс (в этом случае поток ионов).

Перегрев

Так почему же литий-ионные аккумуляторы обладают плохой привычкой перегрева и возгорания?

Проблема сводится к двум факторам:

• скорость отложения ионов лития на углеродистом катоде;
• температура батареи.

Когда батарея заряжается, ионы лития должны внедряться в катод, что известно как интеркаляция . Этот процесс очень важен, так как, вместо оседания в виде металлического лития на поверхности катода, ионы лития проникают в пористые участки катода.

Если литий-ионный аккумулятор заряжается слишком быстро, ионы лития оседают на поверхности катода в виде напыления лития вместо того, чтобы быть поглощенными пористыми участками. Это очень серьезно, так как расстояние между двумя пластинами в обычном литий-ионном аккумуляторе очень мало (измеряется в миллиметрах). По мере того, как слой напыления никеля становится толще, в конечном итоге он может вступить в контакт с анодом, что создаст короткое замыкание.

Короткое замыкание может привести к огромному значению тока разряда, который и нагревает батарею. По мере того, как аккумулятор нагревается, он рискует войти в фазу необратимого роста температуры, где увеличение температуры увеличивает скорость реакции, что еще больше увеличивает температуру. Это может привести к тому, что ячейка батареи задымится, воспламенится и даже взорвется.

Так как же избежать подобного?

Ответ заключается в электронике, которая постоянно контролирует температуру батареи, напряжение и выходной ток. Во время заряда батарея тщательно контролируется, а ток заряда удерживается на низком уровне. Это намеренно увеличивает время, необходимое для заряда аккумулятора, но в результате дает отсутствие металлизации лития на катоде. Когда батареи находятся в использовании, контроллер может продолжать измерять температуру батареи и выключить ячейки, чтобы предотвратить дальнейшее повреждение.

Взрыв литий-ионных аккумуляторов

Ситуация с Samsung и их потенциально опасными батареями не нова. На самом деле, очень часто приходится слышать о литий-ионных аккумуляторах, вызывающих повреждения и возгорания, в том числе, ховербордов, iPhone"ов и даже ноутбуков .

Так почему же мы до сих пор используем эти батареи, если они могут представлять собой вполне реальную опасность?

Вкратце, мы продолжаем использовать литий-ионные батареи потому, что они обладают рядом преимуществ по сравнению с другими аккумуляторами и обычными батареями.

Во-первых, литий-ионные батареи перезаряжаемы, в отличие от обычных батарей, которые вы можете найти в некоторых камерах, пультах дистанционного управления и игрушках.

Во-вторых, литий-ионные батареи не страдают от явления, называемого «эффектом памяти», так сильно, как другие аккумуляторные батареи (например, NiMh и NiCd). Проще говоря, эффект памяти это когда аккумулятор теряет свою емкость, если он не был полностью разряжен перед последующей зарядкой.

Литий-ионные аккумуляторы также меньше по весу и имеют более высокую плотность энергии по сравнению с другими технологиями аккумуляторов. Этот фактор делает литий-ионные аккумуляторы более предпочтительными для портативных устройств, электроинструментов и даже для электрических транспортных средств.

Итого

Литий-ионные аккумуляторы активно используются из-за их весовых характеристик и плотности энергии, но это может привести к тому, что эти батареи могут выйти из строя и нанести вред.

Если случаи с неисправными литий-ионными аккумуляторами продолжат происходить, то это не заставит долго ждать вмешательства государств, которые могут изменить правила использования подобных источников питания (примечание, в октябре 2016 года в аэропортах в России были развешены объявления о необходимости предупредить экипаж самолета, если вы перевозите Samsung Galaxy Note 7).

Новые технологии, более умные устройства, а также лучшие материалы могут уменьшить риск возникновения неисправностей подобных устройств, но эти изменения, возможно, должны прийти как можно раньше до того, как кто-то серьезно пострадает от этих источников питания.

У каждого современного человека есть множество Li-Ion аккумуляторов: в смартфонах, ноутбуках, пауэрбанках, беспроводных наушниках и колонках, электросамокатах, электровелосипедах, гироскутерах, пылесосах и многих других устройствах.
Многие знают об опасности этих аккумуляторов, но мало кто знает, как именно они горят. Это впечатляет, поверьте!

Для начала посмотрите ролик Креосана об издевательствах над аккумуляторами 18650. То, с какой интенсивностью они горят при физическом повреждении, приводит в ужас.

Интересно, что качественные аккумуляторы не боятся электрического воздействия - ни при перезаряде большим током, ни при коротком замыкании ничего страшного с ними не происходит. Замечу, что дешёвые безымянные аккумуляторы такими свойствами не обладают. Известно много случаев самовозгорания гироскутеров и электросамокатов (почти всегда при зарядке). Все эти устройства безымянных китайских производителей были оснащены не менее безымянными аккумуляторами.

Как видно из ролика, при физическом повреждении аккумуляторы горят очень интенсивно и очень быстро. Потушить такое пламя вряд ли возможно. Но горят только заряженные аккумуляторы. При физическом повреждении разряженного аккумулятора ничего страшного с ним не произошло.

Увы, полностью разряженными литиевые аккумуляторы хранить нельзя - со временем напряжение на ячейках падает и если в результате длительного хранения напряжение упадёт с 3 вольт (напряжение, при котором защитная электроника считает аккумулятор полностью разряженным) до 2.5 вольт, начнётся невосстановимая деградация. Считается, что для длительного хранения аккумуляторы должны быть заряжены на 40%, но при таком уровне заряда они также представляют опасность в случае физического повреждения.

Несмотря на то, что литиевых аккумуляторов сейчас приходится по нескольку десятков на каждого жителя земли, горят они не очень часто, но опасность всё же есть.

Постарайтесь придерживаться простых правил:

1. Никогда не оставляйте устройства, стоящие на зарядке, без присмотра. Поставить дома заряжаться электросамокат или гироскутер и пойти гулять СОВЕРШЕННО НЕДОПУСТИМО и опасно!

2. Старайтесь не использовать устройства с безымянными аккумуляторами. Лучше потратить чуть больше денег и купить хороший пауэрбанк, электросамокат или пылесос, в которых гарантированно будут стоять аккумуляторы известного производителя.

3. Если вы долго не пользуетесь устройствами, не храните их с полностью заряженными аккумуляторами.

P.S. А вы смотрите ролики Креосана? Ребята живут в деревне где-то под Луганском и делают совершенно безумные и опасные эксперименты (притягивают настоящие молнии, взрывают газовые баллоны, уничтожают электронику сверхмощными импульсами микроволн). Я за последние три дня роликов двадцать посмотрел. :)

2018, Алексей Надёжин

Основная тема моего блога - техника в жизни человека. Я пишу обзоры, делюсь опытом, рассказываю о всяких интересных штуках. А ещё я делаю репортажи из интересных мест и рассказываю об интересных событиях.
Добавьте меня в друзья