Основные проблемы
При борьбе с возгораниями литий-ионных батарей ученые сталкиваются со следующими проблемами:
Как происходит тепловой разгон
Возгорание литий-ионной батареи начинается в одном элементе в результате химического процесса, называемого тепловым разгоном. В каждом элементе находятся анод и катод. Первый высвобождает электроны, второй поглощает. Анод и катод разделены электроизолирующим слоем (сепаратором), который не пропускает только ионы лития, а для электронов создан внешний путь. Электроны покидают аккумулятор по внешнему пути, совершают определенную работу, а затем снова возвращаются. Если бы сепаратора не было, то между анодом и катодом возникала бы искра короткого замыкания.
Теперь предположим, что одна ячейка в литий-ионной батарее по какой-то причине начинает перегреваться. Когда температура достигает примерно 130-150°С, полимерный сепаратор плавится и возникает искра короткого замыкания. В результате нагрева жидкий электролит может разлагаться и переходить в газообразную форму. В литий-ионных элементах также находятся оксиды металлов, которые при нагревании выделяют кислород. Кислород, в свою очередь, способствует реакциям горения. В итоге содержащиеся в аккумуляторе жидкости и газы могут загореться, что приводит к еще большему выделению тепла и газов. Всё, пожар начался.
Внезапность теплового выброса
Если посмотреть на график теплового разгона литий-ионной батареи, то можно увидеть зависимость роста температуры от времени. Сначала процесс происходит медленно, а затем резко наступает огромный выброс энергии, и температура поднимается до пика примерно за секунду. В какой-то момент, при нагревании всего на 10% скорость реакции повышается в 350 и более раз, что вызывает резкий скачок температуры. Экспоненциальное увеличение скорости реакции значительно превышает линейное увеличение теплоотдачи. Температура литий-ионного аккумулятора с 200°С может сразу подскочить до 1000°С и выше. Результат такого скачка температуры печален. Вот почему для тушения крупных тяговых литиевых батарей приходится использовать тонны холодной воды, только они способны охладить такой пыл.
Очевидные решения не всегда решают проблему
Большинство проблем разработчики литий-ионных аккумуляторов решают простым прямым путем, например:
Конечно, такие технические решения работают, они повышают защиту, но не гарантируют отсутствие пожаров. Почему? Вероятно, потому, что большинство из этих решений не требуют полного знания всех химических реакций, происходящих при тепловом разгоне.
Например, аккумуляторный элемент с клапаном сброса давления все равно может взорваться. Эксперименты показали одну из возможных последовательностей такого события:
-
скопившийся в аккумуляторном элементе газ давит на внутренние компоненты;
-
рост давления приводит к срабатыванию клапана сброса давления;
-
из-за давления газа внутренние компоненты смещаются к клапану и перекрывают его;
-
газам некуда выходить, их становится всё больше, и они всё горячее;
-
давление газов разрывает корпус аккумуляторного элемента.
Таким образом, разработчикам литиевых аккумуляторов предстоит ещё много работать над конструкцией ячеек, системами защиты.
Заключение
Разнообразие аккумуляторных элементов с разным химическим составом осложняет изучение химических реакций, происходящих при тепловом разгоне. Разные типы литий-ионных батарей могут требовать разных подходов к предотвращению и тушению связанных с ними пожаров.
