возгорания аккумуляторов становятся растущей проблемой общественной безопасности – вот как уменьшить риск

В современную эпоху электроники перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы распространены повсеместно.По сравнению со свинцово-кислотными версиями, которые доминировали на рынке аккумуляторов на протяжении десятилетий, литий-ионные аккумуляторы могут заряжаться быстрее и хранить больше энергии при том же весе.

Эти устройства делают наши электронные гаджеты и электромобили легче и долговечнее, но у них есть и недостатки.Они содержат много энергии, и если они загорятся, то будут гореть до тех пор, пока вся запасенная энергия не будет высвобождена.Внезапный выброс огромного количества энергии может привести к взрывам, угрожающим жизни и имуществу.

Как учёные, изучающие производство энергии, хранилище и преобразование, и автомобильная инженерия, мы очень заинтересованы в разработке энергоемких и безопасных аккумуляторов.И мы видим обнадеживающие признаки того, что производители аккумуляторов добиваются прогресса в решении этой важной технической проблемы.

Новая пожарная опасность

Городской транспорт переживает трансформационный сдвиг в сторону электрификации.Поскольку в городах по всему миру растет обеспокоенность по поводу изменения климата и качества воздуха, электромобили заняли центральное место.

В то же время электронные велосипеды и электрические скутеры преобразуют городской транспорт, предоставляя удобные и низкоуглеродные способы передвижения по многолюдным улицам и уменьшая пробки на дорогах.С 2010 по 2022 год доля общих электронных велосипедов и электронных скутеров, принадлежащих сетям проката, составляла более полумиллиарда поездок в СШАгорода.Частные электронные велосипеды добавляют к этой сумме:В 2021 году в США было продано более 880 000 электронных велосипедов., по сравнению с 608 000 электромобилей и грузовиков.

На долю транспортных средств с аккумуляторным питанием приходится небольшая доля автомобильных пожаров, но контролировать пожары на электромобилях сложно.Обычно горение электромобиля горит при температуре примерно 5000 градусов по Фаренгейту (2760 по Цельсию), а горящий автомобиль с бензиновым двигателем — при температуре 1500 F (815 C).Чтобы потушить горящий автомобиль с бензиновым двигателем, требуется около 2000 галлонов воды;Тушение пожара на электромобиле может занять в 10 раз больше.

Это серьезная проблема в крупных городах, где популярны электромобили.Пожарные департаменты Нью-Йорка и Сан-Франциско отчитались о случившемся более 660 пожаров с участием литий-ионных аккумуляторов с 2019 года.В Нью-Йорке эти пожары вызвали 12 погибших и более 260 раненых с 2021 по начало 2023 года.Очевидно, что существует необходимость в более безопасном обращении и зарядке, а также в технических усовершенствованиях аккумуляторов.

Много аккумуляторов в электромобиле

Чтобы понять, как возгорается литий-ионный аккумулятор, важно знать некоторые основы.Батарея содержит химические вещества, содержащие энергию, с разделителем между ее положительным и отрицательным электродами.Это работает преобразование этой энергии в электричество.

Два электрода батареи окружены электролитом — веществом, которое позволяет электрическому заряду течь между двумя клеммами.Например, в литий-ионной батарее ионы лития несут электрический заряд.Когда устройство подключено к батарее, на электродах происходят химические реакции, которые создают поток электронов во внешней цепи, питающей устройство.

Мобильные телефоны и цифровые камеры могут работать от одной батареи, но электромобилю требуется гораздо больше энергии и мощности.В зависимости от конструкции электромобиль может содержать от десятков до тысяч отдельных батарей, которые называются клетками.Клетки группируются в наборы, называемые модулями, которые, в свою очередь, собираются в пакеты.Стандартный электромобиль будет содержать один большой аккумуляторный блок со множеством ячеек внутри.

Что вызывает возгорание аккумулятора

Обычно возгорание аккумулятора начинается в одной ячейке внутри большего аккумуляторного блока.Существует три основные причины возгорания аккумулятора:механические повреждения, такие как раздавливание или проникновение при столкновении транспортных средств;электрический вред от внешнего или внутреннего короткое замыкание;или перегрев.

Короткое замыкание аккумулятора может быть вызвано неправильным внешним обращением или нежелательными химическими реакциями внутри аккумуляторного элемента.Когда литий-ионные батареи заряжаются слишком быстро, химические реакции могут привести к образованию очень острых литиевых игл, называемых дендритами, на аноде батареи — электроде с отрицательным зарядом.В конце концов они проникают через сепаратор и достигают другого электрода, вызывая внутреннее короткое замыкание батареи.

Такие короткие замыкания нагревают элемент аккумулятора до температуры более 212 F (100 C).Температура аккумулятора сначала повышается медленно, а затем сразу, достигая пиковой температуры примерно за одну секунду.

Еще одним фактором, усложняющим тушение возгорания литий-ионных аккумуляторов, является выделение кислорода.Когда оксиды металлов в катоде батареи или положительно заряженном электроде нагреваются, они разлагать и выделять газообразный кислород.Для горения огню необходим кислород, поэтому батарея, вырабатывающая кислород, может поддерживать пожар.

Из-за природы электролита повышение температуры литий-ионного аккумулятора на 20% приводит к тому, что некоторые нежелательные химические реакции протекают намного быстрее, что приводит к выделению избыточного тепла.Это избыточное тепло увеличивает температуру батареи, что, в свою очередь, ускоряет реакцию.Повышенная температура батареи увеличивает скорость реакции, создавая процесс, называемый термический побег.Когда это происходит, температура батареи может подняться с 212 F (100 C) до 1800 F (1000 C) за секунду.

Решение проблемы теплового разгона

Методы обеспечения безопасности батареи могут быть сосредоточены на условиях снаружи или внутри батареи.Внешняя защита обычно включает использование электронных устройств, таких как датчики температуры и клапаны давления, чтобы гарантировать, что аккумулятор не подвергается воздействию тепла или силы, которые могут привести к несчастному случаю.

Однако эти механизмы делают батарею больше и тяжелее, что может снизить производительность устройства, которое она питает.И они могут оказаться ненадежными при экстремальных температурах или давлениях, например, в результате автомобильной аварии.

Стратегии внутренней защиты направлены на использование искробезопасных материалов для компонентов аккумуляторов.Такой подход дает возможность устранить потенциальные опасности в их источнике.

Чтобы сделать тепловой разгон в аккумуляторной батарее менее интенсивным, необходимо сочетание улучшения программного и аппаратного обеспечения.Ученые работают над разработкой катодов, которые при разрушении выделяют меньше кислорода;негорючие электролиты; твердотельные электролиты, которые не загораются, а также могут способствовать замедлению роста дендритов;и сепараторы, которые могут выдерживать высокие температуры, не плавясь.

Другое решение уже используется: системы управления батареями.Это аппаратные и программные пакеты, встроенные в аккумуляторные блоки, которые могут контролировать жизненно важные параметры аккумуляторной батареи, такие как состояние заряда, внутреннее давление и температура ячеек в аккумуляторной батарее.

Точно так же, как врач использует симптомы пациента для диагностики и лечения его заболевания, системы управления батареями могут диагностировать состояние аккумуляторной батареи и принимать автономные решения об отключении батарей в местах перегрева или изменении распределения нагрузки, чтобы любая отдельная батарея не выходила из строя. стать слишком горячим.

Химический состав аккумуляторов быстро развивается, поэтому новые конструкции потребуют новых систем управления аккумуляторами.Многие производители аккумуляторов формирование партнерских отношений которые объединяют производителей, обладающих дополнительным опытом в области аккумуляторов, для решения этой задачи.

Пользователи также могут предпринять шаги для максимизировать безопасность.Используйте рекомендованное производителем зарядное оборудование и розетки, избегайте перезарядки и не оставляйте электромобиль включенным на ночь.Регулярно проверяйте батарею на наличие признаков повреждения или перегрева.Припаркуйте автомобиль вдали от очень жаркого или холодного окружения – например, паркуйтесь в тени во время жары – чтобы предотвратить термическую нагрузку на аккумулятор.

Наконец, в случае столкновения или аварии с участием электромобиля следуйте протоколам безопасности производителя и, если возможно, отключите аккумулятор, чтобы свести к минимуму риск возгорания или поражения электрическим током.