Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее распространенным портативным решением для хранения энергии, но их безопасность вызывает все больше опасений.

Данные, собранные государственными пожарными службами, показывают, что более 450 пожаров по всей Австралии были связаны с литий-ионными батареями за последние 18 месяцев, а Австралийская комиссия по конкуренции и защите прав потребителей (ACCC) недавно выпустила документ с вопросами, в котором содержится призыв предоставить информацию о том, как повысить безопасность батареи .

Литий-ионные аккумуляторы используются в самых разных устройствах, от электромобилей и электрических скутеров до мобильных телефонов и ноутбуков. В жилых системах солнечных батарей также используется эта технология, вплоть до систем хранения энергии в масштабе сети.

К сожалению, как признают даже пожарно-спасательные службы Нового Южного Уэльса, пока недостаточно известно о вероятности отказа литий-ионных аккумуляторов, механизмах их отказа и возможных последствиях отказа.

Мы поговорили с экспертом UNSW, доктором Мэтью Пристли из Исследовательской группы энергетических систем Школы электротехники и телекоммуникаций, чтобы узнать, какие проблемы безопасности связаны с литий-ионными батареями.

«В настоящее время нас беспокоит тот факт, что существует очень мало правил, касающихся литий-ионных аккумуляторов и связанных с этим аспектов безопасности», — говорит доктор Пристли.

«Мы хотим и нуждаемся в том, чтобы эта технология хранения энергии была безопасной, потому что она жизненно важна для использования возобновляемых источников энергии, и важно, чтобы общественность и промышленность не воспринимали ее как опасную.

«Но на данный момент у большинства людей нет адекватного понимания рисков, связанных с этими батареями, или достаточного уважения к ним. Это касается потребителей в их доме, но, возможно, даже более важно для профессионалов, использующих литий-ионные батареи больший масштаб на своем рабочем месте.

«Я не думаю, что существует достаточно знаний о правильном использовании, хранении, переработке или утилизации литий-ионных аккумуляторов, и это ключ к продвижению вперед».

Д-р Пристли является ведущим научным сотрудником проекта, в рамках которого будет разработан краткий курс, направленный на информирование торговцев, общественности и других ключевых заинтересованных сторон о рисках, связанных с аккумуляторными системами высокой энергии.

И здесь он помогает объяснить ключевые проблемы и возможные решения, касающиеся безопасности литий-ионных аккумуляторов.

Какие устройства питаются от литий-ионных аккумуляторов?

Литий-ионные батареи чрезвычайно распространены практически во всех австралийских домах. Мобильные телефоны, ноутбуки и интеллектуальные носимые устройства питаются от литий-ионных аккумуляторов, как и более новые продукты электронной мобильности, такие как электронные велосипеды и электронные скутеры.

Электроинструменты также могут работать на литий-ионных батареях, и они широко распространены в различных отраслях торговли, а также в туристическом и садовом оборудовании.

В электромобилях, таких как Tesla, используются литий-ионные батареи, как и в системе Powerwall той же компании, которая накапливает энергию, собранную с солнечных панелей на крыше или из сети.

В гораздо большем масштабе самая большая литий-ионная батарея в Австралии была активирована в 2021 году на конечной станции Мурабул недалеко от Джилонга. Известная как Викторианская большая батарея, батарея мощностью 300 мегаватт может хранить достаточно энергии, чтобы питать более миллиона домов в течение 30 минут.

Какие проблемы с литий-ионными аккумуляторами?

Все типы батарей могут быть опасны и могут представлять угрозу безопасности. Отличие от литий-ионных аккумуляторов, доступных сегодня на рынке, заключается в том, что они обычно содержат раствор жидкого электролита с солями лития, растворенными в растворителе, таком как этиленкарбонат, для создания ионов лития.

Именно присутствие этих ионов лития обеспечивает превосходную производительность батареи, позволяя батарее хранить большое количество энергии на относительно небольшой площади, поэтому эти батареи так полезны и распространены.

Однако жидкий электролит, содержащий эти ионы лития, очень летуч и легко воспламеняется, что создает серьезную опасность возгорания или взрыва, особенно при воздействии высокой температуры.

В дополнение к этому, способ производства энергии литий-ионным аккумулятором также приводит к выделению тепла в качестве побочного продукта.

При неконтролируемом выходе из строя батареи вся эта энергия и тепло повышают риск возникновения потенциального пожара. Тепло от сбоев литий-ионных аккумуляторов может достигать 400 градусов по Цельсию всего за несколько секунд, а пиковые температуры возгорания могут быть выше.

К сожалению, возгорание литий-ионных аккумуляторов также нелегко локализовать, и они являются самоподдерживающимися, поэтому они считаются более нестабильными, чем другие типы аккумуляторов.

Что приводит к выходу из строя литий-ионных аккумуляторов?

Перегрев является одной из основных причин выхода из строя литий-ионных аккумуляторов, хотя физическое повреждение аккумулятора также может привести к проблемам.

Чрезмерное тепло — например, из-за использования неисправного зарядного устройства и перезарядки аккумулятора или из-за короткого замыкания — может повредить аккумуляторную батарею и привести к ее выходу из строя.

Основной проблемой перегрева литий-ионных аккумуляторов является явление, известное как тепловой разгон.

В этом процессе чрезмерное тепло способствует химической реакции, которая заставляет батарею работать, тем самым создавая еще больше тепла и еще больше химических реакций по катастрофической спирали.

Физическое повреждение элементов литий-ионного аккумулятора может привести к утечке электролита внутри, что является еще одним потенциальным риском.

Почему поломки литий-ионных аккумуляторов так опасны?

Явление теплового разгона означает, что возгорание литий-ионных аккумуляторов чрезвычайно трудно потушить.

Огнетушители на водной основе охлаждают аккумулятор, чтобы предотвратить распространение огня, но не гасят огонь в аккумуляторе до тех пор, пока его энергия не рассеется.

Существуют специальные огнетушители с литий-ионным гелем, но они еще не широко доступны для всех применений литий-ионных батарей. И даже когда кажется, что огонь литий-ионного аккумулятора потушен, он может снова вспыхнуть через несколько часов, а иногда и дней.

Литий-ионные батареи также могут выделять высокотоксичные газы при выходе из строя, а чрезмерное нагревание также может привести к их взрыву.

Как люди могут смягчить проблемы с литий-ионными батареями?

Правильное использование и хранение литий-ионных аккумуляторов чрезвычайно важно.

Батареи не должны подвергаться воздействию высоких внешних температур, например, в результате длительного пребывания под прямыми солнечными лучами.

Перезарядка является еще одной фундаментальной проблемой, так как это может привести к чрезмерному нагреву внутри элемента батареи .

Поэтому важно всегда использовать зарядное устройство известной марки, а не дешевую непатентованную версию, которая может быть доступна в Интернете.

Зарядные устройства хорошего качества, разработанные специально для используемой вами батареи, контролируют количество заряда, поступающего в элемент, и отключаются, когда он полностью заряжен, чтобы предотвратить перегрев системы.

Будьте очень осторожны, если литий-ионный аккумулятор подвергается физическому повреждению , например, падению или протыканию каким-либо предметом, так как это может привести к утечке и потенциальным проблемам.

В промышленных условиях безопасное хранение батарей может иметь решающее значение, так как в случае нежелательного отказа возникающий пожар можно будет легче локализовать и контролировать, а также не распространять его, что может быстро привести к катастрофическим последствиям.

Не рекомендуется покупать подержанные литий-ионные аккумуляторы или покупать их в Интернете у неизвестных и потенциально нерегулируемых поставщиков.

Почему бы нам просто не использовать другие формы батарей?

Существуют и широко используются другие типы перезаряжаемых батарей, такие как никель-кадмиевые и даже свинцово-кислотные, которые появились еще в 19 веке.

Однако литий-ионные аккумуляторы более полезны и, следовательно, гораздо более популярны, поскольку они сочетают в себе быструю зарядку, длительное удержание заряда и высокую удельную мощность, что увеличивает срок службы аккумулятора при меньшем размере.

Вполне вероятно, что будущие исследования позволят создать другой тип батареи с такими же свойствами и меньшими опасностями, чем существующие литий-ионные технологии, такие как батареи с твердым электролитом, производство которых в настоящее время очень дорого.

Что нужно сделать, чтобы литий-ионные аккумуляторы стали безопаснее?

В литий-ионных аккумуляторных батареях есть система управления батареями (BMS), которая предназначена для защиты элементов батареи и предотвращения сбоев.

BMS отслеживает данные, включая температуру, напряжение элемента, ток элемента и заряд элемента, чтобы убедиться, что каждая часть батареи работает правильно и безопасно. Средства охлаждения также могут быть связаны с BMS, чтобы снизить температуру аккумуляторной батареи, если она становится слишком горячей.

Однако очень важно, чтобы любая система управления батареями контролировалась, чтобы убедиться, что она работает правильно, поскольку отказ BMS может косвенно привести к выходу из строя самих литий-ионных аккумуляторов. Кроме того, многие небольшие литий-ионные устройства не имеют BMS, поскольку это нерентабельно.

Дополнительное образование и обучение , особенно для продавцов, также могут помочь расширить знания и понимание опасностей литий-ионных аккумуляторов и помочь минимизировать риски и максимально устранить опасность.

Дополнительные исследования и разработки также позволят решить некоторые фундаментальные вопросы, касающиеся безопасности литий-ионных аккумуляторов , хотя это может быть дорогостоящим и трудоемким.