Безопасны ли литий-ионные аккумуляторы?

Чтобы понять угрозы безопасности, связанные с блоками питания, мы должны сначала углубиться в их суть — мир литий-ионных аккумуляторов. От мобильных телефонов и ноутбуков до блоков питания — срок службы батареи современных электронных устройств зависит от этого сложного, но энергоемкого-устройства. Его создание стало революцией в аккумуляторных технологиях, но присущие ему характеристики также посеяли семена риска.

1. Три основных компонента литий-ионных- аккумуляторов

Структура литий-ионного-аккумулятора несложна. Его ядро ​​состоит из трех частей: положительного электрода, отрицательного электрода и электролита, а также сепаратора и корпуса, образующих замкнутую «систему энергетического цикла».

Положительный электрод является «резервуаром» ионов лития, играющим решающую роль в их хранении и высвобождении. В настоящее время двумя наиболее распространенными материалами положительных электродов на рынке являются оксид лития-кобальта и фосфат лития-железа. Оксид лития-кобальта имеет более высокую плотность энергии, что позволяет банкам питания быть меньше и легче, и поэтому широко используется в бытовой электронике; однако его термическая стабильность относительно низкая, и он склонен к разложению при высоких температурах или аномальных условиях. С другой стороны, литий-железо-фосфатные материалы (LFP) демонстрируют чрезвычайно высокую термическую стабильность и более высокий коэффициент безопасности, но имеют меньшую плотность энергии и требуют большего объема для той же емкости. Они в основном используются в приложениях с чрезвычайно высокими требованиями безопасности, таких как новые энергетические транспортные средства и крупномасштабные-устройства хранения энергии.

Отрицательный электрод, «временное место жительства» ионов лития, в основном изготовлен из графита. Графит имеет слоистую структуру, напоминающую аккуратно расположенные «ячейки». Во время зарядки ионы лития могут легко внедряться в эти «ячейки» для хранения; во время разряда они могут упорядоченно отделяться от «ячеек» и возвращаться к положительному электроду. Однако при неправильном методе зарядки ионы лития могут аномально осаждаться на поверхности графита, образуя дендритные кристаллы металлического лития или «дендриты», что представляет значительную угрозу безопасности.

Электролит, «челночный канал» для ионов лития, обычно представляет собой органический растворитель, например карбонатные соединения. Его функция заключается в том, чтобы позволить ионам лития свободно перемещаться между положительным и отрицательным электродами, завершая преобразование электрической энергии в химическую. Однако этот органический растворитель легко воспламеняется. При воздействии высоких температур или открытого огня он быстро горит и даже может разложиться с выделением большого количества горючих газов. Это основная причина, почему литиевые батареи горят так интенсивно.

Кроме того, внутри батареи находится сепаратор толщиной всего несколько микрометров, действующий как «брандмауэр» между положительным и отрицательным электродами, предотвращающий прямой контакт. Сепаратор обычно изготавливается из полипропилена или полиэтилена с микропористой структурой, которая пропускает ионы лития, но блокирует электроны. Однако этот «брандмауэр» очень хрупок и может потерять свою изолирующую функцию при физическом повреждении или высоких температурах.

2. Плотность энергии:-палка о двух концах: удобство и риск

Основное преимущество литий-ионных батарей как предпочтительного источника питания для современных электронных устройств заключается в их сверх-высокой плотности энергии-способности хранить гораздо больше электрической энергии на единицу объема или веса, чем традиционные батареи. Например, внешний аккумулятор размером с ладонь- может иметь емкость 10 000 мАч, чего достаточно для зарядки мобильного телефона 2-3 раза, а никель-кадмиевый аккумулятор такой же емкости может быть более чем в три раза больше и тяжелее.

Удобство, обеспечиваемое такой высокой плотностью энергии,-очевидно: нет необходимости носить с собой громоздкие аккумуляторы, выходя на улицу; Power Bank можно легко положить в рюкзак или карман, что позволит вам заряжать свои устройства в любое время и в любом месте. Однако чем более концентрирована энергия, тем выше риск. Как и взрывчатые вещества, небольшое количество взрывчатого вещества относительно безопасно, но при высокой концентрации даже небольшая искра может вызвать сильный взрыв. Высокая плотность энергии литий-ионных батарей- по существу сжимает большое количество химической энергии в небольшом пространстве. Как только эта химическая энергия случайно активируется, она высвобождается с чрезвычайно высокой скоростью, создавая неконтролируемую катастрофу.

3. Система управления батареями (BMS): безопасный «умный менеджер»

Блоки питания с литиевыми батареями известных производителей оснащены системой управления батареями (BMS), которая действует как «умный менеджер» блока питания, отслеживая и защищая рабочее состояние батареи.

Основные функции BMS включают защиту от перезарядки, защиту от-разрядки, защиту от короткого-замыкания и защиту от-перегрева. Во время зарядки, когда аккумулятор полностью заряжен, BMS автоматически отключает цепь зарядки, чтобы предотвратить попадание чрезмерных ионов лития в отрицательный электрод. Во время разрядки, когда уровень заряда падает ниже безопасного порога, разряд прекращается, чтобы предотвратить разрушение структуры материала положительного электрода. Если обнаружено короткое замыкание между положительным и отрицательным электродами, он немедленно отключает ток. Когда температура аккумулятора превышает безопасный диапазон, он запускает программу охлаждения или прекращает работу.

Высокий риск использования некачественных блоков питания во многом связан с отсутствием BMS или использованием BMS очень низкого-качества. Без контроля этого "умного менеджера" батарея как сбежавшая лошадь; при возникновении аномалии защитные меры не могут быть приняты вовремя, что легко приводит к тепловому выходу из-под контроля.

ACEY-БМС-1Тестер БМСиспользуется при проверке безопасности платы защиты литиевой батареи, чтобы определить, находятся ли функциональные показатели платы защиты в пределах разумных параметров, чтобы предоставить персоналу набор стандартов тестирования, что способствует повышению эффективности производства и облегчению контроля качества.

Самовозгорание и взрыв литий-ионных аккумуляторов представляют собой, по сути, цепную реакцию, вызванную «тепловым выходом из-под контроля». Под термическим разгоном подразумевается непрерывное накопление тепла внутри батареи, вызывающее постоянный рост температуры, что, в свою очередь, запускает серию экзотермических реакций, что в конечном итоге приводит к необратимому процессу горения и взрыва. Этот процесс обычно длится от нескольких секунд до десятков секунд, чрезвычайно быстр, и его трудно прервать вручную.

1. Внутреннее короткое замыкание: «бомба замедленного действия», спрятанная внутри батареи

Внутренние короткие замыкания являются одной из основных причин теплового разгона, поскольку они связаны с прямым контактом между положительными и отрицательными электродами батареи через внутренние примеси или дендриты, образующие токовую петлю.

Образование внутренних коротких замыканий в основном имеет две причины: Во-первых, дефекты производственного процесса. Если примеси, такие как металлический мусор, попадают в положительный электрод, отрицательный электрод или сепаратор во время производства батареи, эти примеси могут стать «мостиками» между положительным и отрицательным электродами, что приведет к короткому замыканию. Во-вторых, дендриты образуются при длительном-использовании. Во время зарядки ионы лития внедряются в слоистую структуру графита отрицательного электрода. Однако, если зарядный ток слишком высок, количество циклов зарядки слишком велико или используется несовместимое зарядное устройство, некоторые ионы лития не смогут успешно внедриться и вместо этого осядут на поверхности отрицательного электрода, образуя дендритные кристаллы металлического лития (дендриты). Со временем эти дендриты растут и в конечном итоге пробивают сепаратор микронного размера-, соединяя положительный и отрицательный электроды и вызывая короткое замыкание.

Как только происходит внутреннее короткое замыкание, внутри батареи мгновенно генерируется огромный ток. Согласно закону Джоуля, ток, протекающий через резистор, выделяет большое количество тепла. За считанные секунды внутренняя температура аккумулятора может взлететь до сотен градусов Цельсия. Эта высокая температура приводит к быстрому горению электролита, разлагающемуся на легковоспламеняющиеся газы, такие как водород и окись углерода. Внутреннее давление батареи резко возрастает, что в конечном итоге приводит к разрыву корпуса. Вытекшие газы смешиваются с воздухом и при контакте с высокой температурой вызывают воспламенение.

В ходе инцидента, произошедшего в 2024 году с самопроизвольным возгоранием блока питания определенной марки, испытания показали, что наличие металлических примесей внутри аккумулятора после длительного использования вызвало внутреннее короткое замыкание, что привело к выходу из строя.

2. Внешнее короткое замыкание: наиболее легко упускаемый из виду риск при ежедневном использовании.

Внешнее короткое замыкание происходит, когда положительные и отрицательные клеммы батареи напрямую соединяются через внешний металлический предмет, образуя токовую петлю и мгновенно создавая высокие температуры.

Причины внешних коротких замыканий очень распространены и в основном связаны с неправильным использованием. Например, размещение блока питания в том же кармане или отделении рюкзака, что и ключи, монеты или кабели для передачи данных, может привести к случайному контакту этих металлических предметов с положительными и отрицательными клеммами блока питания, что приведет к короткому замыканию. Риск еще выше для блоков питания без защитных крышек на портах-острый конец ключа может легко вставиться в порт, одновременно контактируя с положительным и отрицательным металлическими контактами.

Кроме того, поврежденные порты блока питания или нарушенная изоляция кабеля передачи данных также могут привести к внешним коротким замыканиям. Например, оголенные металлические провода кабеля для передачи данных могут соприкоснуться с портом блока питания, что может привести к короткому замыканию. Высокие температуры, возникающие в результате внешнего короткого замыкания, могут привести к непосредственному воспламенению корпуса блока питания или окружающих легковоспламеняющихся материалов, что может привести к возгоранию.

В 2023 году студент колледжа положил пауэрбанк и ключи в боковой карман рюкзака. Во время прогулки ключи случайно заклинили порт повербанка, что привело к внешнему короткому замыканию. Через несколько минут рюкзак начал дымить. К счастью, его вовремя обнаружили и потушили огнетушителем, предотвратив серьезные последствия.

3. Перезарядка и чрезмерная-разрядка: скрытые опасности неправильной зарядки.

Перезарядка и чрезмерная-разрядка – это превышение номинальной емкости аккумулятора во время зарядки или падение ниже минимально безопасной емкости во время разрядки. Обе ситуации повреждают структуру батареи и могут привести к выходу из строя.

Перезарядка особенно опасна. Если аккумулятор полностью заряжен, если зарядка продолжается, избыток ионов лития принудительно внедряется в графит отрицательного электрода, вызывая разрушение и разрыв слоистой структуры графита. Одновременно избыточные ионы лития осаждают металлический литий на поверхности отрицательного электрода, бурно реагируя с электролитом и выделяя большое количество тепла. Кроме того, перезарядка может увеличить внутреннее давление аккумулятора, что приведет к сжатию или даже разрыву сепаратора, что приведет к короткому замыканию между положительным и отрицательным электродами.

Основной причиной перезарядки является использование некачественных или несовместимых зарядных устройств. Например, использование зарядного устройства с чрезмерно высоким выходным током для зарядки повербанка или использование некачественного зарядного устройства без защиты от перезаряда. Некоторые пользователи обычно заряжают свои аккумуляторы на ночь. Хотя BMS законного блока питания отключит питание при полной зарядке, неисправная BMS или зарядное устройство низкого-качества могут привести к перезарядке.

Чрезмерная-разгрузка также опасна. Когда аккумулятор чрезмерно-разряжен, кристаллическая структура материала положительного электрода подвергается необратимому повреждению, что приводит к уменьшению емкости аккумулятора и выделению большого количества тепла и нестабильных веществ. Если оставить аккумулятор полностью разряженным и простаивать в течение длительного времени, это может привести к риску чрезмерной-разрядки.

4. Высокие-температурные условия: катализатор ускорения взрывов риска

Высокие температуры являются «врагом» литиевых батарей, значительно увеличивая вероятность их теплового выхода из строя. Высокие-температуры ускоряют внутренние химические побочные реакции, снижают стабильность сепаратора и делают электролит более склонным к разложению и газообразованию.

Высокие-температуры являются обычным явлением в повседневной жизни: летом на подоконниках, подвергающихся воздействию прямых солнечных лучей, температура может превышать 50 градусов; внутренняя часть автомобиля, припаркованного на открытом воздухе, может даже превышать 60 градусов; размещение блока питания рядом с источниками тепла, такими как радиаторы или микроволновые печи, также приведет к повышению его температуры.

В условиях высоких-температур химические реакции внутри аккумулятора значительно ускоряются, а движение ионов лития становится аномально активным, что легко приводит к росту дендритов и повреждению сепаратора. В то же время воспламеняемость электролита увеличивается с повышением температуры, и он сразу же воспламеняется при контакте даже с крошечной искрой или высокой температурой, возникающей в результате короткого замыкания.

Летом 2024 года автовладелец разместил павербанк на приборной панели внутри своего автомобиля. Через полдня воздействия прямых солнечных лучей аккумулятор взорвался, разбив окно автомобиля. Тестирование показало, что температура внутри автомобиля достигла 65 градусов, что намного превышает безопасную рабочую температуру блока питания (обычно 0–45 градусов).

5. Весь процесс цепной реакции теплового выхода из-под контроля

Как только происходит тепловой разгон, возникает необратимая цепная реакция. Весь процесс можно разделить на четыре этапа:

Этап 1:Накопление тепла. Будь то внутреннее короткое замыкание, внешнее короткое замыкание, чрезмерная зарядка/чрезмерная-разрядка или высокая-температура, все это приведет к повышению внутренней температуры аккумулятора. В это время аккумулятор может слегка перегреваться, вздуваться и т. д., что является предупреждающим признаком выхода из-под контроля температуры.

Этап 2:Горение электролита. Когда температура достигает точки воспламенения электролита (обычно между 130 и 200 градусами), электролит начинает гореть, выделяя большое количество тепла и горючего газа. Температура батареи быстро поднимется до более чем 500 градусов.

Этап 3:Взрыв давления. Внутри герметичного корпуса аккумулятора постоянно скапливается горючий газ, и давление продолжает расти. Когда давление превысит предел допуска корпуса, корпус разорвется, и газ будет выброшен мгновенно.

Этап 4:Дефлаграция и распространение. Когда выбрасываемый горючий газ тщательно смешивается с воздухом, он резко взрывается при воздействии высоких температур внутри аккумулятора или открытого пламени, образуя большое количество дыма и пламени. Температура пламени может достигать более 1000 градусов, а в процессе сгорания образуются токсичные газы, что делает его чрезвычайно опасным.

Риски, связанные с блоками питания с литиевыми батареями, не являются неизбежными. Овладев научными методами использования, эти риски можно эффективно снизить. От выбора и использования до хранения и обслуживания — каждый этап имеет четкие границы безопасности. Соблюдение этих границ гарантирует, что банк питания останется безопасным «энергетическим блоком».

1. Отбор: устранение рисков в источнике

Выбор – это первый и наиболее важный шаг для безопасного использования. Некачественные блоки питания таят в себе угрозу безопасности с самого начала их производства.

• Ищите сертификацию 3C.. 3Сертификация C – обязательная сертификация продукта в Китае. Как электротехническая продукция, банки питания должны пройти сертификацию 3C, чтобы продаваться на рынке. При покупке проверьте наличие четкого и действительного знака сертификации 3C на корпусе блока питания. На маркировке должен быть указан номер сертификата, информация о производителе и т. д. Никогда не покупайте продукцию без маркировки 3C, с размытой маркировкой или продукцию, которая была отозвана.
• Выбирайте проверенные бренды. Отдавайте предпочтение банкам питания известных-брендов, таких как Huawei, Xiaomi, Apple и Ugreen, поскольку у этих брендов более стандартизированы производственные процессы. Также отдайте приоритет приобретению пауэрбанков с аккумуляторами ведущих компаний, таких как ATI, EVE Energy, Changhong Energy и Zijian Electronics, поскольку эти производители строго контролируют качество сырья и оснащают свою продукцию комплексными системами BMS. Избегайте приобретения продуктов «три-нет» (продуктов без названия производителя, адреса или даты производства), поскольку они обычно дешевы, используют некачественные батареи и имеют элементарный производственный процесс и не дают никаких гарантий безопасности.

• Обратите внимание на мощность и технические характеристики. Выберите внешний аккумулятор емкостью, соответствующей вашим потребностям. Как правило, аккумулятора емкостью 10 000–20 000 мАч достаточно для ежедневных путешествий. Кроме того, проверьте характеристики продукта, чтобы убедиться, что выходное напряжение и ток соответствуют вашим электронным устройствам, чтобы избежать нарушений зарядки из-за несоответствий.

• Осмотрите внешний вид и качество изготовления. При покупке внимательно проверьте, гладкий и неповрежденный ли корпус повербанка, надежно ли закреплены и не болтаются ли интерфейсы, отзывчивы ли кнопки. Если на корпусе имеются явные заусенцы, зазоры или неплотно прилегающие поверхности, это указывает на плохое качество изготовления и не рекомендуется к покупке.

2. Использование: развивайте хорошие привычки.

Правильные привычки использования являются ключом к предотвращению рисков. Многие несчастные случаи происходят из-за неправильного использования.

• Используйте оригинальные или сертифицированные аксессуары. При зарядке используйте оригинальное зарядное устройство и кабель для передачи данных из блока питания или выбирайте аксессуары известных брендов, соответствующие характеристикам блока питания. Избегайте использования кабелей для передачи данных низкого качества или универсальных зарядных устройств, так как они могут иметь нестабильный ток или поврежденную изоляцию, что легко приводит к перезарядке или короткому замыканию.

• Избегайте перезарядки и чрезмерной-разрядки. Не заряжайте повербанк на ночь. Рекомендуется отключать источник питания сразу после полной зарядки аккумулятора. При ежедневном использовании не ждите, пока внешний аккумулятор полностью разрядится, прежде чем заряжать его. Рекомендуется заряжать аккумулятор, когда уровень заряда составляет от 20 % до 30 %, чтобы избежать чрезмерного-разряда.

• Держитесь подальше от экстремальных условий. Не используйте аккумулятор в условиях высокой-, низкой-температуры или влажности. Не используйте и не заряжайте его под прямыми солнечными лучами, в горячих автомобилях или в ванных комнатах. В условиях низкой-температуры емкость аккумулятора снижается; не форсируйте зарядку в таких условиях, чтобы не повредить аккумулятор.

• Предотвратите физический ущерб. Во время использования избегайте физических повреждений блока питания, таких как падение, сдавливание, проколы или изгибы. Не кладите блок питания под тяжелые предметы, не разбирайте его и не прокалывайте корпус блока питания острыми предметами.

• Оперативно реагировать на нештатные ситуации. Если вы заметили, что внешний аккумулятор нагревается, вздувается, дымит или издает необычный запах во время использования, немедленно прекратите его использование, отключите его от сети и поместите в открытое, негорючее-место для естественного охлаждения. Не используйте его снова.

3. Хранение и техническое обслуживание: продление срока службы + снижение риска.

Правильное хранение и обслуживание не только продлевают срок службы аккумулятора, но и еще больше снижают риски для безопасности.

• Поддерживайте подходящие условия хранения. Банки питания, не используемые в течение длительного времени, следует хранить в сухом, проветриваемом и прохладном месте при температуре от 10 до 30 градусов. Не храните аккумуляторы вместе с легковоспламеняющимися, взрывоопасными или металлическими предметами, чтобы избежать короткого замыкания или возгорания.

• Регулярно заряжайте Power Bank. Если внешний аккумулятор не используется в течение длительного периода, рекомендуется пополнять заряд каждые 1-2 месяца, поддерживая его на уровне около 50–70 %. Это эффективно защищает батарею и предотвращает чрезмерную разрядку, которая может привести к ее повреждению.

• Регулярно проверяйте его состояние. Регулярно проверяйте внешний вид, порты и кабели блока питания. Если вы обнаружите какие-либо повреждения корпуса, незакрепленные порты или устаревшие кабели, немедленно прекратите его использование и обратитесь к производителю для ремонта или замены.

• Не изменяйте его самостоятельно. Никогда не разбирайте и не модифицируйте внешний аккумулятор для достижения большей емкости или более высокой скорости зарядки. Модификации повредят конструкцию батареи и BMS, что значительно повысит риски для безопасности.

Изобретение аккумуляторов на литиевых батареях значительно облегчило нашу жизнь, освободив нас от беспокойства по поводу нехватки энергии во время путешествий, работы или учебы. Однако за этим удобством скрывается глубокое уважение к границам безопасности. Это одновременно «источник энергии» в наших руках и потенциальная «пороховая бочка». Ключ заключается в том, сможем ли мы понять его протоколы безопасности и соблюдать границы безопасности при его использовании.

ACEY-MLW-200TЛазерная точечная сварочная машинаприменяется сварка вкладок для блоков питания и мобильных источников питания.

Свяжитесь сейчас