Когда Sony представила первую литий-ионную батарею в 1991 году, они знали о потенциальных рисках для безопасности. Отзыв выпущенной ранее перезаряжаемой металлической литиевой батареи стал мрачным напоминанием о дисциплине, которую необходимо соблюдать при работе с этой системой батарей с высокой плотностью энергии.
Пионерская работа над литиевой батареей началась в 1912 году, но только в начале 1970-х годов в продажу поступили первые неперезаряжаемые литиевые батареи. Попытки разработать перезаряжаемые литиевые батареи последовали в восьмидесятых годах. Эти ранние модели были основаны на металлическом литии и предлагали очень высокую плотность энергии. Однако присущая металлическому литию нестабильность, особенно во время зарядки, сдерживала развитие. У ячейки был потенциал теплового разгона. Температура быстро поднимется до точки плавления металлического лития и вызовет бурную реакцию. Большое количество перезаряжаемых литиевых батарей пришлось отозвать в 1991 году после того, как пачка в сотовом телефоне выпустила горячие газы и нанесла ожоги лицу человека.
Из-за присущей металлическому литию нестабильности исследования переместились на неметаллическую литиевую батарею с использованием ионов лития. Хотя плотность энергии немного ниже, литий-ионная система безопасна при соблюдении определенных мер предосторожности при зарядке и разрядке. На сегодняшний день литий-ионный аккумулятор является одним из самых успешных и безопасных химических элементов. Каждый год производится два миллиарда клеток.
Литий-ионные элементы с кобальтовыми катодами удерживают в два раза больше энергии, чем батареи на основе никеля, и в четыре раза больше, чем свинцово-кислотные. Литий-ионная система требует минимального обслуживания, преимущество, на которое не может претендовать большинство других химикатов. Здесь нет памяти, и батарея не требует планового цикла для продления срока службы. Литий-ион также не имеет проблемы сульфатации свинцово-кислотной, которая возникает, когда аккумулятор хранится без периодической подзарядки. Литий-ионный имеет низкий саморазряд и является экологически чистым. Утилизация наносит минимальный вред.
Долгое время работы от батареи всегда было желанием многих потребителей. Производители аккумуляторов ответили тем, что упаковали в ячейку больше активного материала и сделали электроды и сепаратор тоньше. Это позволило удвоить плотность энергии с тех пор, как в 1991 году был представлен литий-ион.
Высокая плотность энергии имеет свою цену. Методы производства становятся более важными, чем плотнее становятся ячейки. При толщине сепаратора всего 20-25 мкм любое незначительное проникновение частиц металлической пыли может иметь разрушительные последствия. Потребуются соответствующие меры для достижения обязательного стандарта безопасности, установленного UL 1642. В то время как испытание на проникновение гвоздя можно было допустить для более старой ячейки 18650 с емкостью 1,35 Ач, сегодняшняя ячейка высокой плотности 2,4 Ач станет бомбой при выполнении. тот самый тест. UL 1642 не требует проникновения гвоздей. Литий-ионные аккумуляторы приближаются к своему теоретическому пределу плотности энергии, и производители аккумуляторов начинают сосредотачиваться на улучшении методов производства и повышении безопасности.
Отзыв литий-ионных аккумуляторов
С интенсивным использованием литий-ионных аккумуляторов в сотовых телефонах, цифровых камерах и ноутбуках неизбежно возникнут проблемы. Один из -200 000 отказов привел к отзыву почти шести миллионов литий-ионных аккумуляторов, используемых в ноутбуках Dell и Apple. К отказам аккумуляторов, связанным с перегревом, относятся очень серьезно, и производители выбрали консервативный подход. Решение о замене батареек успокаивает потребителя и отпугивает юристов. Давайте теперь посмотрим, что стоит за отзывом.
Sony Energy Devices (Sony), производитель рассматриваемых литий-ионных элементов, говорит, что в редких случаях микроскопические частицы металла могут вступать в контакт с другими частями элемента батареи, что приводит к короткому замыканию внутри элемента. Хотя производители аккумуляторов стремятся свести к минимуму присутствие металлических частиц, сложные методы сборки делают удаление всей металлической пыли практически невозможным.
Легкое короткое замыкание вызовет только повышенный саморазряд. Выделяется мало тепла, поскольку энергия разряда очень мала. Однако, если в одном месте соберется достаточное количество микроскопических металлических частиц, может возникнуть серьезное короткое замыкание, и между положительной и отрицательной пластинами будет протекать значительный ток. Это вызывает повышение температуры, что приводит к тепловому выходу из строя, также называемому «сбросом пламени».
Литий-ионные элементы с кобальтовыми катодами (такие же, как аккумуляторы для отозванных ноутбуков) никогда не должны подниматься выше 130степеньC (265степеньФ). В 150степеньC (302степеньF) ячейка становится термически неустойчивой, состояние, которое может привести к тепловому разгону, при котором выбрасываются воспламеняющиеся газы.
Во время теплового разгона высокая температура вышедшей из строя ячейки может распространяться на следующую ячейку, в результате чего она также становится термически нестабильной. В некоторых случаях происходит цепная реакция, при которой каждая клетка распадается по своему расписанию. Пакет может быть уничтожен в течение нескольких коротких секунд или сохраняться в течение нескольких часов, поскольку каждая ячейка потребляется одна за другой. Для повышения безопасности пакеты снабжены перегородками для защиты неисправной ячейки от распространения на соседние ячейки.
Уровень безопасности литий-ионных систем
Существует два основных типа литий-ионных химических соединений: кобальт и марганец (шпинель). Для достижения максимального времени работы в сотовых телефонах, цифровых камерах и ноутбуках используются литий-ионные аккумуляторы на основе кобальта. Марганец является более новым из двух химических веществ и обеспечивает превосходную термическую стабильность. Выдерживает температуру до 250степеньC (482степеньF) до того, как станет нестабильным. Кроме того, марганец имеет очень низкое внутреннее сопротивление и при необходимости может обеспечивать большой ток. Все чаще эти аккумуляторы используются для электроинструментов и медицинских приборов. Следующими будут гибриды и электромобили.
Недостатком шпинели является более низкая плотность энергии. Как правило, ячейка, изготовленная из чистого марганцевого катода, обеспечивает примерно половину емкости кобальта. Пользователи сотовых телефонов и ноутбуков будут недовольны, если их аккумуляторы разрядятся на полпути ожидаемого времени работы. Чтобы найти работающий компромисс между высокой плотностью энергии, безопасностью эксплуатации и хорошей подачей тока, производители литий-ионных аккумуляторов могут смешивать металлы. Типичными катодными материалами являются кобальт, никель, марганец и фосфат железа.
Позвольте мне заверить читателя, что литий-ионные батареи безопасны, а отказы, связанные с перегревом, случаются редко. Производители аккумуляторов достигают такой высокой надежности, добавляя три уровня защиты. К ним относятся: [1] ограничение количества активного материала для достижения работоспособного равновесия плотности энергии и безопасности; [2] включение различных механизмов безопасности внутри клетки; и [3] добавление схемы электронной защиты в аккумуляторную батарею.
Эти устройства защиты работают следующим образом: устройство PTC, встроенное в ячейку, действует как защита для подавления скачков тока большой силы; устройство прерывания цепи (CID) открывает электрический путь, если чрезмерно высокое зарядное напряжение повышает внутреннее давление в ячейке до 10 бар (150 фунтов на кв. дюйм); а предохранительный клапан позволяет контролировать выпуск газа в случае быстрого повышения давления в камере. В дополнение к механическим предохранителям внешняя по отношению к элементам электронная схема защиты размыкает твердотельный переключатель, если напряжение заряда любого элемента достигает 4,30 В. Предохранитель прерывает подачу тока, если температура поверхности ячейки приближается к 90°С.степеньC (194степеньФ). Чтобы предотвратить чрезмерную разрядку батареи, схема управления отключает ток при напряжении около 2,50 В на элемент. В некоторых случаях более высокая внутренняя безопасность шпинельной системы позволяет исключить электрическую цепь. В таком случае аккумулятор полностью зависит от встроенных в элемент защитных устройств.
Мы должны помнить, что эти меры предосторожности эффективны только в том случае, если режим работы исходит извне, например, при коротком замыкании или неисправном зарядном устройстве. В нормальных условиях литий-ионный аккумулятор просто отключается при коротком замыкании. Однако если гальваническому элементу присущ дефект, например, загрязнение, вызванное микроскопическими частицами металла, эта аномалия останется незамеченной. Схема безопасности также не может остановить распад, когда ячейка находится в режиме теплового разгона. Ничто не может остановить его после срабатывания.
Что должен знать каждый пользователь аккумуляторов
Серьезная проблема возникает, если статическое электричество или неисправное зарядное устройство разрушили цепь защиты аккумулятора. Такое повреждение может привести к постоянному плавлению твердотельных переключателей во включенном положении без ведома пользователя. Аккумулятор с неисправной схемой защиты может работать нормально, но не обеспечивает защиты от неправильного использования.
Еще одна проблема безопасности — зарядка при низкой температуре. Литий-ионные аккумуляторы потребительского класса нельзя заряжать ниже 0.степеньC (32степеньФ). Хотя кажется, что аккумуляторы заряжаются нормально, на аноде происходит покрытие металлическим литием во время заряда ниже нуля. Покрытие является постоянным и не может быть удалено. Если делать это неоднократно, такое повреждение может поставить под угрозу безопасность рюкзака. Аккумулятор становится более уязвимым к выходу из строя, если он подвергается ударам, раздавливанию или зарядке с высокой скоростью.
Азия производит много сменных аккумуляторов других производителей, которые популярны среди пользователей сотовых телефонов из-за низкой цены. Многие из этих аккумуляторов не обеспечивают такой же высокий стандарт безопасности, как аналоги основного бренда. Мудрый покупатель потратит немного больше и заменит батарею проверенной моделью.
Чтобы предотвратить проникновение небезопасных аккумуляторов на рынок, большинство производителей продают литий-ионные элементы только утвержденным сборщикам аккумуляторов. Включение утвержденной цепи безопасности является частью требования к покупке. Это затрудняет для любителя покупку отдельных литий-ионных элементов в готовом виде в магазине. У любителей не будет другого выбора, кроме как вернуться к батареям на основе никеля.
Меры предосторожности особенно важны для больших аккумуляторов, таких как аккумуляторы для ноутбуков. Если что-то пойдет не так, опасность намного больше, чем от маленькой батареи сотового телефона. По этой причине многие производители ноутбуков защищают свои батареи секретным кодом, доступ к которому может получить только соответствующий компьютер. Это предотвращает наводнение рынка аккумуляторами других производителей. Недостатком является более высокая цена за сменный аккумулятор.
Учитывая количество литий-ионных аккумуляторов, используемых на рынке, эта система накопления энергии не причинила большого вреда с точки зрения повреждений и травм. Несмотря на хорошую репутацию, его безопасность является горячей темой, которая привлекает большое внимание средств массовой информации, даже в случае незначительного несчастного случая. Это предостережение хорошо для потребителя, потому что мы будем уверены, что это популярное устройство хранения энергии безопасно. После отзыва аккумуляторов для ноутбуков Dell и Apple производители элементов не только попытаются упаковать в аккумулятор больше энергии, но и попытаются сделать его более пуленепробиваемым.