Понимание теплового разгона в литий-ионных аккумуляторах и как его остановить

Тепловой разгон в литий-ионной батарее происходит, когда избыточное тепло запускает самоподдерживающуюся реакцию, что приводит к быстрому повышению температуры и потенциальным взрывам. Это явление представляет значительную опасность возгорания, особенно в городских районах, где распространены такие устройства, как электровелосипеды. С учетом более чем 25 000 инцидентов, зарегистрированных за пять лет, понимание мер профилактики имеет решающее значение для безопасности.

Ключевые выводы

• Тепловой разгон в литий-ионных аккумуляторах может привести к пожарам или взрывам. Знание его этапов помогает обнаружить и остановить его на ранней стадии.

• Правильная зарядка аккумуляторов очень важна. Используйте правильное зарядное устройство, не перезаряжайте и храните их при безопасной температуре, чтобы оставаться в безопасности.

• Использование интеллектуальных систем аккумуляторов делает аккумуляторы более безопасными. Эти системы контролируют тепло и устраняют проблемы, которые могут привести к тепловому разгону.

Часть 1: Что такое тепловой разгон в литий-ионном аккумуляторе?

1.1 Определение и значение теплового разгона

Тепловой разгон в литий-ионной батарее относится к самоподдерживающейся реакции, где избыточное тепло запускает цепочку экзотермических реакций. Этот процесс вызывает быстрое повышение температуры, что приводит к потенциальным пожарам или взрывам. Явление классифицируется на четыре стадии в зависимости от начальных температур и реакций:

Понимание этих стадий подчеркивает важность раннего выявления и профилактики во избежание катастрофических последствий.

1.2 Почему тепловой разгон является критической проблемой безопасности

Тепловой разгон представляет собой существенную угрозу безопасности из-за своей неконтролируемой природы. Когда это происходит, литий-ионная батарея генерирует опасные газы, которые могут привести к взрывам. Было показано, что такие устройства, как электромобили и газонокосилки, производят достаточно газа во время теплового разгона, чтобы повредить конструкции и подвергнуть опасности жизни.

Проблема еще больше усугубляется ее растущей распространенностью. Отчеты указывают на 28%-ный рост инцидентов теплового разгона в период с 2019 по 2023 год, при этом в базе данных TRIP в среднем регистрируется два инцидента в неделю. Несмотря на это, вероятность возникновения теплового разгона во время полетов остается низкой, что подчеркивает важность надлежащих мер безопасности.

1.3 Примеры случаев теплового разгона в литий-ионных аккумуляторах

Реальные инциденты иллюстрируют опасность теплового разгона в литий-ионной батарее. Например:

• В 2016 году крупный производитель смартфонов отозвал миллионы устройств после того, как несколько из них загорелись из-за теплового разгона.

• Электромобили также подверглись пристальному вниманию после того, как возгорание аккумуляторов из-за теплового разгона привело к материальному ущербу и травмам.

• В городских районах возгорания аккумуляторов электровелосипедов становятся все более серьезной проблемой: за пять лет было зарегистрировано более 25 000 таких случаев.

Эти примеры подчеркивают необходимость надежных протоколов безопасности и улучшенных конструкций аккумуляторов для снижения рисков.

Часть 2: Причины и условия, приводящие к тепловому разгону

2.1 Распространенные причины теплового разгона литий-ионных аккумуляторов

Тепловой разгон в литий-ионной батарее часто начинается с определенных триггеров, которые ставят под угрозу ее стабильность. Перезарядка является одной из наиболее распространенных причин. Когда вы заряжаете батарею сверх ее безопасного предела напряжения, она генерирует избыточное тепло, что может привести к опасным химическим реакциям. Аналогично, быстрая зарядка с высокими токами может создать внутреннее напряжение, увеличивая риск теплового разгона.

Другие факторы включают физические повреждения, такие как проколы или раздавливание, которые могут вызвать внутренние короткие замыкания. Производственные дефекты, такие как дефекты сепаратора, также играют значительную роль. Условия окружающей среды, такие как воздействие экстремальных температур или высокой влажности, еще больше усугубляют проблему.

Повышение температуры литий-ионной батареи на 20% приводит к тому, что нежелательные химические реакции происходят гораздо быстрее, выделяя избыточное тепло. Это избыточное тепло повышает температуру батареи, что в свою очередь ускоряет реакции, создавая процесс, называемый тепловым разгоном. (Источник: Clemson News 2023)

2.2 Основные условия и температуры, вызывающие тепловой пробой

Тепловой разгон происходит, когда аккумулятор входит в неконтролируемое состояние саморазогрева. Это происходит, когда выделяемое тепло превышает способность аккумулятора рассеивать его. Процесс может быстро обостряться, что было экспериментально проверено исследовательскими институтами UL , при этом температура повышается со скоростью более 20°C в минуту и достигает более 300°C.

Основные условия, вызывающие тепловой пробой, включают:

• Внутренние короткие замыкания, вызванные образованием дендритов или выходом из строя сепаратора.

• Внешние факторы, такие как перезарядка или воздействие высоких температур.

• Слишком быстрая зарядка может привести к росту дендритов и коротким замыканиям.

Слишком быстрая зарядка может привести к образованию дендритов на аноде.

Дендриты могут проникать в сепаратор, что приводит к внутренним коротким замыканиям.

Короткие замыкания вызывают быстрый нагрев аккумулятора, температура которого может превышать 212°F (100°C).

Повышение температуры ускоряет химические реакции, вырабатывая больше тепла и приводя к тепловому пробою.

2.3 Внутренние и внешние факторы, способствующие тепловому разгону

Тепловой разгон способствуют как внутренние, так и внешние факторы. Внутренние дефекты, такие как поломки сепаратора или образование дендритов, могут привести к коротким замыканиям. Внешние существенные факторы — перезарядка, физическое повреждение и воздействие экстремального тепла.

Понимание этих факторов необходимо для предотвращения теплового разгона. Улучшенная конструкция аккумулятора, правильное использование и эффективные решения по управлению температурой могут значительно снизить риски. Решая эти проблемы, вы можете выбрать Large Power и получить решение, которое поможет повысить безопасность и обеспечить долговечность ваших аккумуляторов.

Часть 3: Как предотвратить тепловой пробой в литий-ионных аккумуляторах

3.1 Улучшенная конструкция аккумулятора и материалы для предотвращения теплового разгона

Достижения в области проектирования и материалов аккумуляторов играют решающую роль в предотвращении теплового разгона. Современные инновации направлены на улучшение управления температурой и минимизацию рисков в экстремальных условиях. Например:

• Аккумуляторные модули с нижними отверстиями для впрыска повышают эффективность охлаждения, позволяя точно наносить клей, что снижает повреждение ячеек.

• Батарейные отсеки с системами безопасности автоматически открывают крышки при критических температурах, обеспечивая быстрое охлаждение.

• Теплопроводящие корпуса аккумуляторных батарей предотвращают попадание конденсата на электрические соединения, снижая риск короткого замыкания.

Кроме того, включение антипиренов в тепловые жидкости может предотвратить опасность возгорания при проколах или неправильной зарядке. Устройства, инициирующие повреждение, которые вызывают отключение до того, как произойдет тепловой разгон, еще больше повышают безопасность. Эти инновации гарантируют, что батареи остаются стабильными даже в условиях стресса.

3.2 Правильные методы зарядки, разрядки и хранения

Принятие правильных методов зарядки, разрядки и хранения значительно снижает вероятность теплового разгона. Следуйте этим рекомендациям:

• Чтобы избежать перезарядки, используйте зарядные устройства, соответствующие характеристикам аккумулятора.

• Заряжайте со скоростью от 0,5С до 1С, чтобы не перегружать аккумулятор.

• Поддерживайте температуру зарядки в диапазоне от 0°C до 45°C.

• Храните батареи в прохладном и сухом месте, чтобы предотвратить термический стресс.

• Избегайте частой полной зарядки; стремитесь к уровню заряда от 20% до 80%.

Во время разряда придерживайтесь спецификаций производителя и ограничьте глубину разряда до 80%. Постепенное увеличение нагрузки и эксплуатация в безопасных температурных диапазонах (от -20°C до 60°C) также помогают поддерживать работоспособность аккумулятора.

3.3 Роль систем управления батареями (BMS) в предотвращении теплового разгона

Система управления аккумулятором (BMS) необходима для мониторинга и контроля производительности аккумулятора. Она обеспечивает равномерную зарядку и разрядку по ячейкам, предотвращая дисбаланс, который может привести к тепловому разгону. Расширенные функции BMS включают:

• Мониторинг температуры в режиме реального времени для обнаружения перегрева.

• Анализ стрессового состояния для прогнозирования и снижения рисков.

• Обнаружение горячих точек для определения неравномерного внутреннего сопротивления.

Используя эти возможности, BMS повышает безопасность и продлевает срок службы батареи.

3.4 Решения по управлению температурным режимом и тушению пожаров

Эффективные системы терморегулирования имеют решающее значение для предотвращения теплового разгона. Такие инновации, как системы на основе фазового материала (PCM), используют свойства скрытого тепла для регулирования температуры батареи. Двойные слои PCM создают температурные градиенты, оптимизируя поглощение тепла и минимизируя дисбалансы.

Системы пожаротушения также играют важную роль. Интегрированные спреи для подавления огня активируются во время термических событий, поглощая тепло и гася вышедшие из-под контроля элементы. Система управления тепловым режимом Anti-Propagation Thermal Management System — еще один пример, сдерживающий энергию во время теплового разгона, чтобы не допустить ее распространения на соседние элементы. Эти решения обеспечивают безопасность в средах, где используются литий-ионные аккумуляторы.

Часть 4: Безопасное обращение с тепловыми пожарами

4.1 Распознавание ранних признаков теплового разгона

Выявление ранних признаков теплового разгона имеет решающее значение для обеспечения безопасности и предотвращения катастрофических последствий. Вам следует отслеживать ключевые показатели, включая:

• Температура поверхности повышается.

• Быстрые темпы повышения температуры.

• Внезапные перепады напряжения.

• Видимое выделение газов или потеря массы.

• Выделение газа, например водорода или углекислого газа.

• Наличие огня или дыма.

Газовые датчики могут играть важную роль в раннем обнаружении. Эти датчики определяют опасные газы, выделяемые при тепловом разгоне, что позволяет своевременно вмешаться. Сохраняя бдительность и используя передовые системы мониторинга, вы можете эффективно снизить риски.

4.2 Аварийные меры, которые следует предпринять в случае теплового разгона

Когда происходит тепловой разгон, необходимо немедленное действие для минимизации ущерба. Следуйте этим аварийным протоколам , предложенным NABB :

• Для тушения пламени используйте огнетушители на основе галона, но учтите, что они не предотвратят тепловой разгон.

• Погрузите поврежденные батареи в жидкость, чтобы эффективно охладить их.

• Помните, что температура может достигать 1300°F, поэтому перед локализацией потребуется охлаждение.

Установите зону безопасности вокруг инцидента для защиты спасателей и прохожих. Проведите тщательную оценку после пожара для устранения рисков повторного возгорания. Регулярное обучение персонала обеспечивает готовность к таким чрезвычайным ситуациям.

4.3 Эффективные методы тушения пожаров литий-ионных аккумуляторов

Использование правильных методов пожаротушения имеет решающее значение для управления пожарами литий-ионных аккумуляторов. Исследования подчеркивают эффективность различных методов:

Несоответствующие агенты подавления могут привести к неэффективным результатам. Объекты, использующие литий-ионные батареи, должны инвестировать в соответствующие системы для обеспечения безопасности. Внедряя эти меры, вы можете эффективно управлять инцидентами теплового разгона и предотвращать их эскалацию.

Предотвращение теплового разгона начинается с внедрения лучших практик. Вам следует:

• Используйте сертифицированное оборудование и следуйте рекомендациям производителя, изложенным в стандартах и обязательствах UL .

• Регулярно проверяйте батареи и храните их в прохладном, сухом месте.

• Утилизируйте поврежденные батареи безопасным способом.

Такие усовершенствования, как усиленные слои безопасности, снизили риск взрыва на 53%. При соблюдении надлежащих мер предосторожности литий-ионные аккумуляторы остаются надежными и безопасными для повседневного использования.

Часто задаваемые вопросы

1. Как определить, перегревается ли литий-ионный аккумулятор?

Обратите внимание на такие признаки, как отек, необычное тепло или запах гари. Используйте тепловизионную камеру для обнаружения аномального повышения температуры.

2. Можно ли остановить тепловой разгон, если он начался?

Нет, вы не сможете остановить его, как только он начнется. Сосредоточьтесь на охлаждении аккумулятора и его изоляции, чтобы предотвратить дальнейшее повреждение или распространение пожара.

3. Безопасны ли литий-ионные аккумуляторы для повседневного использования?

Да, они безопасны, если вы соблюдаете правила хранения, зарядки и обращения. Используйте сертифицированные зарядные устройства и не подвергайте батареи воздействию экстремальных температур.