В повседневной жизни нас окружает огромное количество самых различных электронных устройств. Без них невозможно представить себе современную жизнь.
А теперь задумаемся над тем, откуда они получают энергию. Конечно же, источниками электроэнергии в них служат аккумуляторы. Здесь позволю себе задать ещё один вопрос. Часто ли мы задумываемся о том, насколько безопасны такие устройства?
Обычно мы не думаем об этом. Однако, факты вещь упрямая и в интернете бывает, что и проскакивают сообщения о самовозгорании аккумуляторов. Стоит только вспомнить сравнительно недавнюю шумиху про самовоспламенение смартфонов Samsung Galaxy Note 7.
Вот и захотелось разобраться, почему аккумуляторы могут самовозгораться, какие модели более подвержены этому а также, что делать, если из любимого гаджета пошёл дым?
Какие аккумуляторные батареи применяются чаще всего?
В большинстве мобильных гаджетов, а также скутеров и даже в электромобилях, самым распространённым источником электричества являются литиевые аккумуляторы. Благодаря наилучшему сочетанию характеристик, таких как ресурс и удельная энергоёмкость, сейчас они почти полностью вытеснили свинцовые, никель-металлогидридные и никель-кадмиевые аккумуляторы.
Однако, наряду с преимуществами они обладают и недостатком — высокая пожароопасность, а в некоторых случаях даже опасность взрыва. Поэтому, разговаривая по телефону, вставляя в уши беспроводные наушники, читая сообщения на экране умных часов, нужно помнить, что мы пользуемся ни чем иным, как миной замедленного действия.
Ведь любое из устройств может загореться или взорваться в любой момент, от случайного удара или от перегрева.
Но может быть, я зря сгущаю краски? Может загораются аккумуляторы старой конструкции, а сейчас технология уже шагнула далеко вперёд и вполне безопасна?
История изобретения
Возможность изготовления устройств для накопления электроэнергии, основанная на возможности некоторых материалов присоединять ионы лития при разряде и отдавать их, когда аккумулятор заряжается, была доказана учёным Уиттингемом ещё в 1970 году.
Однако самые первые образцы обладали высокой пожароопасностью, так как в них образовывались кристаллические образования из лития, которые замыкали электроды. Также они не могли выдавать напряжение, выше 2,3 В.
В 1991 году конструкция аккумуляторов была улучшена японским учёным Акира Ёсиро и корпорация Сони приступила, в этом же году, к их промышленному выпуску.
Работы американского учёного Джона Гуденафа позволили создать новые материалы для катода — кобальтит лития и феррофосфат лития позволили поднять напряжение до 4 В.
Особенности конструкции
Разберём конструктивные особенности на примере аккумуляторной батареи для мобильного телефона.
Батарея имеет герметичный корпус, в котором размещены электроды — катод и анод, разделённые сепаратором, пропитанным электролитом. Электроды собраны в пакет, а выводы от электродов присоединены к клеммам.
Для предотвращения повреждения корпуса из-за резкого возрастания давления при аварийной ситуации, батарея оснащается клапаном. Также для управления процессами разряда и заряда батарея оснащается системой контроля и управления — battery management system (BMS).
Аккумуляторы цилиндрической формы имеют схожую конструкцию.
Литий-ионные АКБ могут различаться по применяемым в них химическим элементам. Наиболее распространённые могут иметь обозначение: NCR, IMR (INR), ICR, IFR.
NCR или литий-кобальтовая батарея обладает большой ёмкостью, достигающей 250 Втч/кг и напряжением разряда не ниже 3 В. Однако, применение таких батарей требует обеспечения оптимальных рабочих условий и имеет ограниченный ресурс.
Длительное хранение батарей этого типа должно производиться при температуре -5 °C, а уровень заряда должен составлять от 40 до 50%. Это связано с высокой взрывоопасностью, ведь такие АКБ могут самопроизвольно воспламениться из-за перегрева, или при полном разряде. Продукты горения очень токсичны.
Также они могут взрываться при повреждении корпуса и подвержены быстрому старению. Выдерживают не более 500 циклов заряда—разряда. Не переносят зарядку большими токами. Обычно в конструкцию таких АКБ включают защитную плату. Срок эксплуатации в среднем, составляет от 3 до 5 лет.
Батареи литий-марганцевые имеют маркировку IMR или INR. Такие АКБ допускают заряд большими токами и обладают большей безопасностью и долговечностью, чем вышеописанные, литий-кобальтовые АКБ. Имеют больший диапазон рабочих напряжений: 3-4 В.
Удельная энергоёмкость АКБ составляет 140-150 Втч/кг, диапазон рабочих напряжений от 2,5 до 4,2 В, ресурс достигает до 1000 циклов заряда—разряда. Ток разряда при нагрузке может составлять до 5 ёмкостей. Допускается разряд до 2,5 В.
Литий-марганцевые АКБ отличается малой пожаро- и взрывоопасностью, из-за чего такие АКБ не снабжаются платой защиты. Также они обладают низким саморазрядом. При температуре ниже -10 °C теряют свою работоспособность.
Батареи с маркировкой IFR — железофосфатные, являются самым современным типом АКБ. Срок службы может составлять от 10 до 20 лет, или от 1500 до 3000 циклов заряда—разряда. При оптимальных условиях эксплуатации количество циклов может достигать 8000.
Диапазон напряжений составляет 2-3,65 В, причём при разряде напряжение стабильно. При нагрузке могут выдерживать разрядный ток до 10 ёмкостей. Допускают заряд при температуре 0 °C, также могут выдерживать значительные токи заряда.
Отличаются низкой пожароопасностью и взрывоопасностью. Обладают низким саморазрядом, допускают разряд до 2 В. При разряде ниже этого значения возможно снижение срока службы.
Такие технические характеристики позволяют применять АКБ этого типа для питания электродвигателей автомобилей, велосипедов, самокатов и подобных транспортных средств.
По своему химическому составу литий-полимерные АКБ схожи с литий-ионными АКБ и отличаются более совершенной конструкцией. Электролитом в них служит полимерный материал. Такие АКБ также представляют опасность при перегреве или при чрезмерном заряде. Для защиты от этого явления АКБ оснащаются встроенной защитной схемой.
Другие причины возгорания АКБ
Кроме причин, обусловленных химическим составом, к возгоранию батареи может привести её механическое повреждение, длительное нахождение под прямыми солнечными лучами, резкий перепад температуры, глубокий разряд и длительное хранение полностью разряженного аккумулятора.
Условия безопасной эксплуатации
Хотя литиевые АКБ обладают повышенной опасностью, соблюдение простых правил поможет предотвратить возгорание и взрыв.
Во-первых, следует избегать как глубокого разряда, так и перезаряда АКБ, а также не рекомендуется оставлять их на зарядке в течение длительного времени. При зарядке следует периодически проверять температуру батареи.
Во-вторых, не следует пользоваться аккумуляторами, у которых имеются механические повреждения или вздутие корпуса.
В-третьих, не рекомендуется длительно хранить полностью разряженные АКБ. Глубокий разряд обязательно приведёт к выходу из строя такой батареи.
Действия при пожаре
При возгорании литиевого возможен взрыв, что может привести к тяжёлым последствиям. Причём горение такого аккумулятора тяжело поддаётся тушению, так как при этом выделяются горючие вещества, а при возгорании АКБ типа IFR может выделяться кислород.
Тушение водой может не дать никакого результата, более того, металлический литий, который выделяется при горении, если он имеется в значительных количествах, может вступать в реакцию с водой и выделять водород.
Это в полной мере относится к тушению возгорания аккумуляторных батарей электромобилей. В этом случае пожар следует тушить огнетушителем класса D или с использованием специального оборудования.
Если горит небольшой аккумулятор, например, от мобильного телефона, его нужно убрать на безопасное расстояние от себя и от горючих предметов. Можно его тушить, используя стандартные средства пожаротушения: воду и огнетушители. Применение воды позволит снизить температуру и предотвратить дальнейшее распространение огня.
Заключение
Нужно отметить, что при правильном обращении литиевые аккумуляторы прослужат долго. Большое количество возгораний связано с неправильным применением АКБ. Кроме того, производители постоянно улучшают конструкцию, стремясь обеспечить наибольшую безопасность и надёжность таких устройств. Вероятно, в ближайшем будущем возможно создание полностью взрывобезопасных АКБ.