Тепловой разгон литиевых батарей – что это и чем опасен?
Тепловой разгон аккумулятора – это опасное явление, которому могут подвергаться литий-ионные АКБ. Его суть заключается в сложной цепной реакции, которая протекает внутри аккумуляторов и сопровождается неконтролируемым стремительным ростом температуры и давления. При этом количество выделяемого тепла значительно превышает возможности теплоотвода.
В результате инициируется «саморазрушение» батареи с высокими рисками ее вздутия, выделения горючих газов, воспламенения или взрыва. Пусковым механизмом для начала цепной реакции разогрева становится перегрев АКБ и разрушение защитной пленки на аноде. Когда температура достигает критического значения, начинается распад внутренних компонентов ячейки. В итоге выделяется еще больше тепла, и температурный разгон ускоряется.
Когда и почему он возникает?
Спровоцировать тепловой разгон в Li-ion аккумуляторе могут разные причины, например:
- Короткое замыкание, вызванное механическим повреждением, разрушением сепараторов или производственным браком. В результате анод напрямую контактирует с катодом и происходит стремительный скачок температуры.
- Перезаряд или глубокий разряд. Выход напряжения за границы рабочего диапазона негативно сказывается на состоянии элементов питания. При чрезмерном разряде происходит перегрев, который в свою очередь опасен возможностью теплового пробоя. При глубоком разряде наблюдаются необратимые изменения во внутренней структуре ячеек. К примеру, рост дендритов может спровоцировать внутреннее короткое замыкание, и при последующей зарядке возникнет критический нагрев АКБ.
- Внешний нагрев. Под воздействием внешних источников тепла в сочетании с другими факторами вероятность термического пробоя становится еще более высокой, т.к. критическая температура может быть достигнута быстрее.
- Неисправность или некорректная работа BMS платы. Именно этот электронный модуль контролирует процесс зарядки и разрядки АКБ, не допускает ее перезаряда, чрезмерного разряда, перегрузок по току и других опасных состояний. Если же BMS плата вышла из строя, возникает риск неконтролируемого роста температуры.
- Высокие разрядные токи. Когда в батарее накапливается большое количество тепла, высокая токоотдача и невозможность ее ограничения провоцируют термический пробой. Поэтому корректно работающая БМС плата в целях безопасности отключает аккумуляторную батарею от нагрузки при недопустимо высоких токах разряда.
- Нарушение свойств электролита. В результате выделение газов и повышение температуры усугубляют проблему.
- «Старость» и естественный износ ячеек. Со временем во внутренней структуре литиевых аккумуляторов протекают необратимые процессы и происходит химическая деградация, в результате чего состояние, стабильность и технические характеристики ячеек ухудшаются. Поэтому при использовании старых элементов питания произошедшие внутри них изменения могут способствовать термическому разгону.
Обычно к стремительному росту температуры и лавинообразным разрушениям во внутренней структуре Li-ion аккумуляторов приводит не одна из перечисленных причин, а их совокупность.
Возникновение и стадии теплового разгона
Вначале разрушается мембрана SEI (Solid Electrolyte Interphase) – пленка на аноде Li-ion аккумулятора, которая состоит из продуктов разложения электролита и образуется при первой зарядке благодаря реакции электролита с графитом. Задача этой пленки – проводить ионы лития, предотвращать разложение электролита и тем самым увеличивать срок службы АКБ. Для нормальной работы Li-ion элементов питания необходимо, чтобы SEI-мембрана была стабильной, обеспечивала электронную изоляцию и высокую ионную проводимость.
Если же эта пленка утолщается или растрескивается, происходит снижение емкости, образуются литиевые дендриты и возникают сопутствующие проблемы. При критическом нагреве АКБ (при температуре около 90 °С) разрушение SEI-мембраны становится отправной точкой для дальнейшего разрушения батареи.
Хотя по достижении опасного значения температура разгоняется очень быстро, термический разгон включает несколько этапов:
- Начальная стадия – саморазогрев, накопление тепла (≈50–140 °С). Вслед за разрушением SEI-мембраны происходит разложение и плавление сепаратора внутри ячейки. Из-за этого анод начинает взаимодействовать с электролитом, и запускаются последующие реакции разложения, сопровождающиеся выделением тепла и газов. При отсутствии охлаждающего воздействия извне разогрев продолжается до абсолютного разрушения SEI-пленки.
- Разгон – распространение и усиление разогрева (≈140–850 °С). На этом этапе процесс усугубляется – возникает внутреннее короткое замыкание, стремительный нагрев, воспламенение электролита и активное горение с образованием тепла и токсичных газов. Причем температурный пробой может распространяться на соседние ячейки.
- Затухание и завершение. Этот этап наступает, когда все реагенты полностью израсходованы. Немедленно прекратить термический разгон с помощью существующих методов пожаротушения не удается. В таких ситуациях важно изолировать место горения, чтобы не допустить распространения огня на окружающие предметы, и дождаться естественного прекращения процесса.
Профилактика температурного пробоя Li-ion батарей
Остановить тепловой разгон гораздо сложнее, чем не допустить его. Поэтому производители используют все более стабильные материалы электродов и электролита, улучшают их совместимость, совершенствуют системы терморегулирования и используют клапаны для защиты от взрывов. Также безопасной эксплуатации Li-ion батарей способствует применение аэрогелевых термопрокладок и надежных BMS плат.
Но кроме улучшений в процессе производства и сборки АКБ, важно не подвергать накопители энергии лишним рискам при их использовании. Регулировать температуру аккумуляторов помогают датчики и системы охлаждения, а чтобы минимизировать потенциальные риски, необходимо придерживаться правил эксплуатации и периодически проверять состояние батареи. Особенно важно использовать эффективную систему защиты и мониторинга (BMS). Иначе легко вызвать и тепловой разгон, и его плачевные последствия.
Ранее в нашем блоге вышла статья о том, как избежать распространенных проблем в работе Li-ion аккумуляторов.
