Почему загоревшиеся литий-ионные аккумуляторы сложно тушить

Li-ion аккумуляторы загораются нечасто, но, если это произошло, остановить процесс не так просто. Это объясняется высоким зарядом и плотностью энергии в ячейках. Чем выше эти показатели, тем опаснее возгорание.

К примеру, для тушения электромобиля с литий-ионной батареей потребуется 10-15 тонн холодной воды. Кроме этого, следует использовать специальный аэрозоль из вермикулита — силикатной горной породы с высокой концентрацией водных молекул в кристаллической решетке.

Какие проблемы возникают при возгорании литиевых аккумуляторов и в чем их причина:

• Перезарядка, повышенная температура, производственные дефекты, повреждения и ряд других причин вызывают цепную реакцию теплового разгона.
• Множество ячеек, из которых состоят Li-ion аккумуляторы, массово выходят из строя, поскольку повреждение одной ячейки вызывает перегрев или возгорание соседней.
• Средства защиты в виде клапанов для сброса давления, термостойких сепараторов, систем терморегуляции и других элементов не всегда срабатывают. К примеру, клапаны могут не справиться с резким скачком внутреннего давления из-за слишком быстрого образования газа.
• Химические составы литиевых аккумуляторов провоцируют реакции с образованием большого объёма кислорода, который усиливает процесс горения. В частности, этим и объясняется трудность тушения воспламенившихся тяговых АКБ.
• Новые химические соединения, используемые для улучшения характеристик тяговых источников питания, недостаточно изучены с точки зрения безопасности. Каждое химическое вещество при включении в реакцию вносит в неё свои изменения, поэтому возникает трудность при разборе всех происходящих химических процессов.

Как происходит тепловой разгон

Тепловой разгон представляет собой химический процесс, возникающий в одном из элементов батареи. Он может вызвать неконтролируемое нагревание элемента и его возгорание.

Возникновение процесса обусловлено наличием анода и катода в каждом элементе тяговой АКБ. Анод высвобождает электроны, а катод поглощает их. При этом электроизолирующую функцию выполняет специальный сепаратор. Он не пропускает ионы лития и обеспечивает движение электронов по внешнему пути. После его совершения, электроны снова возвращаются. Наличие сепаратора гарантирует, что между анодом и катодом не возникнет искра короткого замыкания.

Однако при повышении температуры до 130-150°С полимерный сепаратор начинает плавиться и происходит короткое замыкание. Такой скачок температуры может возникнуть, если одна из ячеек тяговой батареи выходит из строя и перегревается. В итоге жидкий электролит превращается в газ. Также при повышении температуры кислород выделяют оксиды металлов, содержащиеся в литиевых аккумуляторах. Таким образом, жидкости и газы могут воспламениться и спровоцировать ещё выделение дополнительного объёма газов и тепла.

Счёт на секунды: чем обусловлена стремительность теплового выброса

Тепловой разгон литий-ионной батареи начинается медленно, но со временем происходит резкий выброс энергии, и температура поднимается до критической отметки примерно за секунду. К примеру, при повышении температуры на 10% скорость реакции может вырасти минимум в 350 раз. При этом экспоненциальное развитие скорости реакции существенно превышает линейный рост теплоотдачи. Температура литиевого аккумулятора может сразу вырасти от 200°С до 1000°С. Результат такого скачка губителен для батареи. Именно поэтому для ликвидации возгорания требуется гигантский объём воды.

Как производители литиевых батарей пытаются решить проблемы и почему это не всегда удаётся

Разработчики тяговых аккумуляторных батарей стремятся избежать неполадок, используя очевидные алгоритмы. Приведём пару примеров:

• Увеличивается температура АКБ при зарядке. В этом случае производитель устанавливает термодатчики, контроллеры и систему охлаждения. Устройства отслеживают температуру ячеек и при повышении температуры отключают аккумулятор или активируют процесс охлаждения.
• Плавятся сепараторы. Чтобы минимизировать риск повреждения защитного слоя между катодом и анодом, разработчики пытаются создать сепаратор с повышенной термостойкостью.
• Взрываются элементы тяговой батареи под воздействием высокого давления. Для решения проблемы производители встраивают в аккумуляторы специальные клапаны для сброса давления.
• Выделяется слишком большой объём кислорода при перегреве. Для устранения недочёта производители стремятся подобрать материал катода, который выделяет меньшее количество кислорода при повышении температуры.

Подобные решения повышают безопасность литиевых тяговых батарей, но не гарантируют полноценную защиту от возгораний. Прежде всего, это связано с нехваткой информации об особенностях всех химических реакций, возникающих при тепловом разгоне.

К примеру, даже наличие клапана для сброса давления не всегда может спасти аккумулятор от взрыва. Результаты экспериментов показали, что газ, образовавшийся в элементе батареи, давит на внутренние компоненты. В таких случаях срабатывает клапан для сброса давления, однако под действием скопившегося давления внутренние компоненты аккумулятора смещаются к клапану и перекрывают его. Из-за этого выход газов оказывается заблокированным и нарастающее давление разрывает корпус элемента.

Разработчики тяговых батарей продолжают совершенствовать конструкции аккумуляторных ячеек и повышать эффективность защитных систем.

Вывод

Из-за большого количества типов аккумуляторов с различным составом, становится сложно изучать химические процессы, которые происходят при перегреве. Разные виды литий-ионных батарей могут требовать совершенно иных методов для предотвращения и тушения пожаров, связанных с ними.