Когда Sony представила первую литий-ионную батарею в 1991 году, они знали о потенциальных рисках для безопасности. Отзыв о ранее выпущенной перезаряжаемой металлической литиевой батарее стал мрачным напоминанием о дисциплине, которую необходимо соблюдать при работе с этой высокоэнергетической аккумуляторной системой. 

Пионерские работы по созданию литиевых батарей начались в 1912 году, но так продолжалось до начала 1970-х годов, когда на рынке появились первые неперезаряжаемые литиевые батареи. Попытки разработать перезаряжаемые литиевые батареи последовали в восьмидесятые годы. Эти ранние модели были основаны на металлическом литии и обладали очень высокой плотностью энергии. Однако нестабильность, присущая металлическому литию, особенно во время зарядки, сдерживает развитие. Ячейка обладала потенциалом теплового выброса. Температура быстро поднимется до точки плавления металлического лития и вызовет бурную реакцию. Большое количество перезаряжаемых литиевых батарей пришлось отозвать в 1991 году после того, как батарея в сотовом телефоне выпустила горячие газы и причинила ожоги лицу человека. 

Из-за присущей металлическому литию нестабильности исследования переключились на неметаллическую литиевую батарею с использованием ионов лития. Литий-ионная система, хотя и немного ниже по плотности энергии, безопасна, поскольку при зарядке и разрядке соблюдаются определенные меры предосторожности. Сегодня литий-ионные аккумуляторы являются одними из самых успешных и безопасных доступных химикатов. Каждый год производится два миллиарда клеток. 

Литий-ионные элементы с кобальтовыми катодами обладают вдвое большей энергией, чем батарея на основе никеля, и в четыре раза больше, чем свинцово-кислотная. Литий-ионная система не требует особого обслуживания, а это преимущество, на которое не может претендовать большинство других химикатов. Нет памяти, и аккумулятор не требует регулярной езды на велосипеде для продления срока службы. У литий-ионных аккумуляторов также отсутствует проблема сульфатирования свинцовой кислоты, которая возникает, когда аккумулятор хранится без периодической дозаправки. Литий-ионный имеет низкий саморазряд и экологически чистый. Утилизация наносит минимальный вред.

Многие потребители всегда хотели долго работать от батарей. Производители аккумуляторов в ответ поместили в элемент больше активного материала и сделали электроды и разделитель тоньше. Это позволило удвоить плотность энергии с момента появления литий-ионных аккумуляторов в 1991 году. 

Высокая плотность энергии имеет свою цену. Чем плотнее становятся клетки, тем важнее становятся методы производства. При толщине сепаратора всего 20-25 мкм любое небольшое попадание частиц металлической пыли может иметь разрушительные последствия. Для достижения обязательного стандарта безопасности, установленного UL 1642, потребуются соответствующие меры. В то время как испытание на проникновение гвоздя можно было выдержать на более старом элементе 18650 емкостью 1,35 Ач, сегодняшний элемент с высокой плотностью 2,4 Ач стал бы бомбой при выполнении тот же тест. UL 1642 не требует забивания гвоздями. Литий-ионные аккумуляторы приближаются к своему теоретическому пределу плотности энергии, и производители аккумуляторов начинают уделять особое внимание совершенствованию методов производства и повышению безопасности. 

Отзыв о литий-ионных аккумуляторах

В связи с широким использованием литий-ионных аккумуляторов в мобильных телефонах, цифровых камерах и ноутбуках неизбежно возникнут проблемы. Частота отказов один на 200 000 вызвала отзыв почти шести миллионов литий-ионных аккумуляторов, используемых в ноутбуках, производимых Dell и Apple. К отказам батарей, связанных с нагревом, относятся очень серьезно, и производители выбрали консервативный подход. Решение о замене батарей успокаивает потребителя и отпугивает юристов. Давайте теперь посмотрим, что стоит за отзывом.

Sony Energy Devices (Sony), производитель рассматриваемых литий-ионных элементов, говорит, что в редких случаях микроскопические металлические частицы могут контактировать с другими частями аккумуляторной ячейки, что приводит к короткому замыканию внутри элемента. Хотя производители аккумуляторов стремятся минимизировать присутствие металлических частиц, сложные методы сборки делают удаление всей металлической пыли практически невозможным. 


 
Рисунок 1: Литий-ионный аккумулятор повреждает ноутбук. 
Проблемы безопасности побуждают производителей батарей изменить производственный процесс. Согласно заявлению Sony, загрязнение частиц Cu, Al, Fe и Ni в процессе производства может вызвать внутреннее короткое замыкание.

Легкое короткое замыкание вызовет только повышенный саморазряд. Вырабатывается мало тепла, потому что энергия разряда очень мала. Однако, если достаточно микроскопических металлических частиц сойдется в одном месте, может возникнуть серьезное короткое замыкание, и между положительной и отрицательной пластинами будет протекать значительный ток. Это вызывает повышение температуры, что приводит к тепловому выходу из строя, также называемому «выпуском пламени». 

Литий-ионные элементы с кобальтовыми катодами (такие же, как у отозванных аккумуляторов для ноутбуков) никогда не должны нагреваться выше 130 ° C (265 ° F). При температуре 150 ° C (302 ° F) элемент становится термически нестабильным, что может привести к тепловому выходу из-под контроля, при котором выделяются горящие газы.

Во время теплового разгона высокая температура вышедшей из строя ячейки может распространяться на следующую ячейку, в результате чего она также становится термически нестабильной. В некоторых случаях происходит цепная реакция, при которой каждая клетка распадается по своему собственному расписанию. Пакет может быть уничтожен в течение нескольких коротких секунд или задерживаться в течение нескольких часов, поскольку каждая ячейка потребляется одна за другой. Для повышения безопасности пакеты снабжены разделителями, чтобы защитить неисправную ячейку от распространения на соседние ячейки. 

Уровень безопасности литий-ионных систем

Существует два основных типа литий-ионной химии: кобальт и марганец (шпинель). Для достижения максимального времени работы в сотовых телефонах, цифровых камерах и ноутбуках используется литий-ионный кобальт. Марганец является более новым из двух химических веществ и обеспечивает превосходную термическую стабильность. Он может выдерживать температуру до 250 ° C (482 ° F), прежде чем станет нестабильным. Кроме того, марганец имеет очень низкое внутреннее сопротивление и может обеспечивать высокий ток по запросу. Все чаще эти батареи используются для электроинструментов и медицинских устройств. Следующими будут гибридные и электромобили.

Недостаток шпинели - меньшая удельная энергия. Обычно электролизер, изготовленный из чистого марганцевого катода, обеспечивает только половину емкости кобальта. Пользователи сотовых телефонов и ноутбуков будут недовольны, если их батареи разрядятся в середине ожидаемого времени работы. Чтобы найти работоспособный компромисс между высокой плотностью энергии, эксплуатационной безопасностью и хорошей подачей тока, производители литий-ионных батарей могут смешивать металлы. Типичными катодными материалами являются кобальт, никель, марганец и фосфат железа. 

Позвольте мне заверить читателя, что литий-ионные батареи безопасны и отказы, связанные с нагревом, редки. Производители аккумуляторов достигают такой высокой надежности, добавляя три уровня защиты. К ним относятся: [1] ограничение количества активного материала для достижения работоспособного равновесия плотности энергии и безопасности; [2] включение в клетку различных механизмов безопасности; и [3] добавление схемы электронной защиты в аккумуляторный блок.

Эти защитные устройства работают следующим образом: устройство PTC, встроенное в элемент, действует как защита для предотвращения сильных скачков тока; устройство прерывания цепи (CID) размыкает электрический путь, если чрезмерно высокое напряжение заряда увеличивает внутреннее давление в ячейке до 10 бар (150 фунтов на кв. дюйм); а предохранительный клапан позволяет контролировать выпуск газа в случае быстрого увеличения давления в ячейке. В дополнение к механическим предохранителям, электронная схема защиты, внешняя по отношению к элементам, размыкает твердотельный переключатель, если напряжение заряда любого элемента достигает 4,30 В. Предохранитель перекрывает ток, если температура кожи ячейки приближается к 90 ° C (194 ° F). Чтобы предотвратить чрезмерную разрядку аккумулятора, схема управления перекрывает путь тока примерно при 2,50 В / элемент. В некоторых приложениях более высокая внутренняя безопасность шпинельной системы позволяет исключить электрическую цепь. В таком случае аккумулятор полностью полагается на защитные устройства, встроенные в элемент.

Мы должны помнить, что эти меры безопасности эффективны только в том случае, если режим работы исходит извне, например, при коротком замыкании или неисправном зарядном устройстве. В нормальных условиях литий-ионный аккумулятор просто отключается при коротком замыкании. Однако, если дефект присущ электрохимической ячейке, например, загрязнение, вызванное микроскопическими металлическими частицами, эта аномалия останется незамеченной. Цепь безопасности также не может остановить разрушение, когда ячейка находится в режиме теплового разгона. Ничто не может остановить его после срабатывания.

Что должен знать каждый пользователь батареи

Серьезное беспокойство возникает, если статическое электричество или неисправное зарядное устройство разрушили схему защиты аккумулятора. Такое повреждение может привести к срабатыванию твердотельных переключателей во включенном положении без ведома пользователя. Батарея с неисправной схемой защиты может нормально работать, но не обеспечивает защиты от неправильного использования. 

Еще одна проблема безопасности - зарядка при низких температурах. Литий-ионные аккумуляторы потребительского класса нельзя заряжать при температуре ниже 0 ° C (32 ° F). Хотя кажется, что батареи заряжаются нормально, на аноде происходит покрытие металлического лития при заряде ниже нуля. Покрытие является постоянным и не снимается. При повторном использовании такое повреждение может поставить под угрозу безопасность упаковки. Батарея станет более уязвимой для выхода из строя, если подвергнется удару, раздавливанию или высокоскоростной зарядке. 

В Азии производится множество сменных аккумуляторов других производителей, которые популярны среди пользователей сотовых телефонов из-за низкой цены. Многие из этих аккумуляторов не обеспечивают такие же высокие стандарты безопасности, как их аналоги от основных брендов. Мудрый покупатель тратит немного больше и заменяет батарею на одобренную модель. На рисунке 1 показан сотовый телефон, который был разрушен во время зарядки в автомобиле. Владелец считает, что причиной разрушения стала безымянная стая. 


 

Рис. 2 : Сотовый телефон с аккумулятором другого производителя, из которого во время зарядки в задней части автомобиля выделялось пламя.

Чтобы предотвратить проникновение небезопасных батарей на рынок, большинство производителей продают литий-ионные элементы только утвержденным сборщикам аккумуляторных батарей. Включение утвержденной цепи безопасности является частью требования к закупке. Из-за этого любителю сложно приобрести отдельные литий-ионные элементы в готовом виде в магазине. У любителя не будет другого выбора, кроме как вернуться к никелевым батареям. Я бы предостерег от использования неопознанной литий-ионной батареи из азиатского источника, если такие элементы доступны.

Меры предосторожности особенно важны при работе с более крупными батареями, такими как ноутбуки. Если что-то пойдет не так, опасность намного больше, чем в случае с батареей маленького сотового телефона. По этой причине многие производители ноутбуков защищают свои батареи секретным кодом, доступ к которому имеет только соответствующий компьютер. Это предотвращает наводнение рынка аккумуляторными батареями других производителей. Недостаток - более высокая цена сменного аккумулятора. Читатели www.BatteryUniversity.com часто спрашивают меня об источниках дешевых батарей для ноутбуков. Я должен разочаровать покупателей, направив их к первоначальному продавцу за фирменной упаковкой.

Учитывая количество литий-ионных батарей, используемых на рынке, эта система накопления энергии не принесла большого вреда с точки зрения ущерба и травм. Несмотря на хорошую репутацию, его безопасность - горячая тема, которая привлекает пристальное внимание средств массовой информации даже в случае незначительного происшествия. Это предостережение полезно для потребителя, потому что мы будем уверены, что это популярное устройство хранения энергии безопасно. После отзыва аккумуляторов для ноутбуков Dell и Apple производители элементов не только попытаются вложить в аккумулятор больше энергии, но и постараются сделать его более пуленепробиваемым.