Комплексный обзор управления рисками литиевых батарей

Спрос на литий-ионные аккумуляторные системы продолжает расти в промышленных и коммерческих секторах, что обусловлено их ролью в хранении энергии, робототехнике и медицинских устройствах. Однако без надежного управления рисками литиевых аккумуляторных систем предприятия сталкиваются со значительными угрозами. Ненадлежащие методы обеспечения безопасности литий-ионных аккумуляторов могут привести к инцидентам, связанным с тепловым разгоном, пожарам и сбоям в работе. Глобальный рынок хранения энергии, на котором доминируют литий-ионные аккумуляторы, подчеркивает критическую необходимость мер безопасности, поскольку более 70% стационарных систем полагаются на эти аккумуляторы. Проактивное устранение этих рисков обеспечивает соблюдение стандартов безопасности и защищает ваши операции от дорогостоящих сбоев.

Ознакомьтесь с индивидуальными решениями для систем литиевых аккумуляторов здесь.

Ключевые выводы

• Знание опасностей литий-ионных аккумуляторов очень важно. Они могут перегреваться и вызывать пожары или взрывы, поэтому правила безопасности необходимы всем, кто их использует.

• Использование надежной системы управления аккумулятором (BMS) является ключевым фактором. BMS проверяет важные детали, чтобы предотвратить перегрев и поддерживать безопасную работу аккумуляторов в течение более длительного времени.

• Регулярные проверки и наблюдение за проблемами могут значительно снизить риски. Проводите регулярные проверки и используйте инструменты для раннего выявления проблем, прежде чем они станут хуже.

Часть 1: Понимание рисков, связанных с литий-ионными аккумуляторами

1.1 Распространенные риски в литий-ионных аккумуляторных системах

Литий-ионные аккумуляторы стали незаменимыми в таких отраслях, как медицинские приборы, робототехника и хранение энергии. Однако их широкое использование сопряжено с неотъемлемыми рисками. Одной из самых значительных опасностей является тепловой разгон , цепная реакция, вызванная чрезмерным нагревом. Это явление может привести к частым пожарам и взрывам, что создает серьезные проблемы безопасности.

Производственные дефекты также способствуют возникновению рисков. Например, микроскопические металлические частицы внутри аккумулятора могут вызывать внутренние короткие замыкания. Эти дефекты в сочетании с неправильным обращением или зарядкой увеличивают вероятность сбоев. Исторические инциденты подчеркивают эти опасности. В 1991 году литий-ионный аккумулятор в сотовом телефоне выделял горячие газы, вызывая ожоги. Аналогичным образом, показатель отказов один на 200 000 привел к отзыву почти шести миллионов аккумуляторов для ноутбуков компаниями Dell и Apple из-за перегрева.

Чтобы снизить эти риски, производители внедрили несколько уровней безопасности. Они включают ограничение активных материалов, интеграцию механизмов безопасности в ячейки и добавление электронных схем защиты. Такие устройства, как компоненты с положительным температурным коэффициентом (PTC) и устройства прерывания тока (CID), еще больше повышают безопасность, предотвращая высокие скачки тока и чрезмерное нарастание давления.

1.2 Основные факторы, приводящие к отказам аккумуляторов

Несколько факторов способствуют выходу из строя литий-ионных аккумуляторов. Одной из основных причин является неправильная зарядка, которая может привести к росту дендритов. Эти игольчатые структуры образуются внутри аккумулятора, вызывая внутренние короткие замыкания. Перезарядка или зарядка на высоких скоростях усугубляют эту проблему, увеличивая риск теплового разгона.

Условия окружающей среды также играют решающую роль. Экстремальные температуры, как слишком высокие, так и слишком низкие, могут ухудшить производительность аккумулятора. Исследования Поццато и др. (2023) показали, что колебания температуры существенно влияют на показатели производительности аккумулятора. Аналогичным образом Чжан и др. (2023) подчеркнули важность обнаружения неисправностей, проанализировав данные по 347 электромобилям (ЭМ).

Старение аккумулятора — еще один критический фактор. Со временем твердый электролитный интерфейс растет, и активные материалы теряются, что снижает состояние здоровья аккумулятора (SOH). Точная оценка SOH жизненно важна для современных систем управления аккумулятором. Без нее деградация может привести к снижению емкости и неэффективности работы.

1.3 Последствия пренебрежения управлением рисками в системах литиевых батарей

Пренебрежение управлением рисками систем литиевых батарей может иметь разрушительные последствия. Инциденты, связанные с тепловым разгоном, часто приводят к пожарам и взрывам, подвергая опасности жизни и имущество. Например, в Arizona Public Service произошел взрыв литий-ионной батареи мощностью 2,16 МВт·ч, в результате которого серьезно пострадали четыре пожарных. Аналогичным образом, KEPCO сообщила о 23 крупных пожарах в системах хранения энергии (ESS) в 2018 году, в результате которых ущерб оборудованию составил более 20 миллионов долларов.

Сбои в работе, вызванные отказами аккумуляторов, могут парализовать бизнес. В таких отраслях, как медицинские приборы и робототехника, простой может привести к значительным финансовым потерям и репутационному ущербу. Например, WHA расследовала возгорания медицинских приборов, связанные с отказами аккумуляторов, когда утечка электролита вызывала электрическую дугу и тепловой разгон. Такие инциденты подчеркивают важность упреждающих стратегий предотвращения рисков.

Отдавая приоритет мерам безопасности и внедряя передовые системы управления аккумуляторами, вы можете минимизировать эти риски. Инвестирование в регулярные протоколы обслуживания и мониторинга гарантирует долговечность и надежность ваших литий-ионных аккумуляторов.

Ознакомьтесь с индивидуальными решениями для систем литиевых аккумуляторов здесь.

Часть 2: Стратегии управления рисками, связанными с литий-ионными аккумуляторами

2.1 Повышение безопасности литий-ионных аккумуляторов за счет химии ячеек

Повышение безопасности ячеек начинается с выбора правильной химии для литий-ионных аккумуляторов. Различные химии предлагают различные уровни безопасности, плотности энергии и срока службы. Например, аккумуляторы LiFePO4 с напряжением платформы 3,2 В и плотностью энергии от 100 до 180 Вт·ч/кг известны своей термической стабильностью и устойчивостью к тепловому разгону. Напротив, аккумуляторы NMC обеспечивают более высокую плотность энергии (160–270 Вт·ч/кг), но требуют строгих мер безопасности из-за своей восприимчивости к перегреву.

Для повышения безопасности литий-ионных аккумуляторов производители изучают передовые материалы, такие как твердые электролиты. Эти материалы заменяют легковоспламеняющиеся жидкие электролиты, значительно снижая риск возгорания. Кроме того, включение в электролит добавок, таких как антипирены, может еще больше повысить безопасность. Исследования в области анодов на основе кремния также показывают многообещающие результаты, поскольку они обеспечивают более высокую емкость, сохраняя при этом структурную целостность под нагрузкой.

Внедрение этих инноваций не только минимизирует риски, но и соответствует тенденциям отрасли в сторону более безопасных и эффективных решений для хранения энергии. Предприятия в таких секторах, как медицинские приборы и робототехника, могут извлечь выгоду из этих достижений, гарантируя надежную и безопасную работу аккумуляторов.

Ознакомьтесь с индивидуальными решениями для систем литиевых аккумуляторов здесь.

2.2 Роль систем управления батареями (BMS) в снижении рисков

Система управления батареями (BMS) играет важную роль в управлении рисками систем литиевых батарей. Она обеспечивает безопасную работу, контролируя ключевые параметры, такие как напряжение, ток и температура. Поддерживая эти параметры в безопасных пределах, BMS предотвращает условия, которые могут привести к тепловому разгону или другим отказам.

Например, ограничение скорости заряда и разряда через BMS снижает риск перегрева. Высокая кулоновская эффективность позволяет системе точно измерять энергию, запасенную в аккумуляторе, обеспечивая оптимальную производительность. Эмпирические данные подтверждают эффективность BMS в снижении рисков. Исследования показывают, что внедрение BMS решает проблемы безопасности и долговечности, что делает ее важным компонентом для отраслей, использующих литий-ионные аккумуляторы.

Интегрируя надежную BMS, предприятия могут повысить безопасность литий-ионных аккумуляторов и продлить срок службы своих систем. Это особенно важно для приложений в инфраструктурных и промышленных средах, где надежность имеет первостепенное значение.

2.3 Внедрение систем охлаждения и решений по управлению температурным режимом

Эффективное управление температурой жизненно важно для поддержания безопасности и производительности литий-ионных аккумуляторов. Системы охлаждения предотвращают чрезмерное накопление тепла, которое может привести к тепловому разгону. Передовые решения по управлению температурой, такие как системы на основе тепловых трубок и материалы с фазовым переходом, продемонстрировали свою эффективность в контроле температуры аккумулятора.

• Исследование систем на основе тепловых трубок для шестнадцатиэлементного аккумуляторного модуля показало, что максимальные температуры элементов оставались ниже 28,5°C и 24,5°C, что обеспечивало стабильную работу.

• Гибкие композитные материалы для терморегулирования поддерживали температуру аккумуляторного модуля ниже 46°C во время разряда, что подчеркивает их химическую стабильность и эффективность.

• Пассивное охлаждение с использованием материалов с изменяемой фазой доказало свою эффективность в поддержании желаемых температурных диапазонов без дополнительной энергии, что делает его экономически выгодным решением.

Эти стратегии не только повышают безопасность, но и улучшают общую эффективность и срок службы литий-ионных аккумуляторов. Такие отрасли, как хранение энергии и робототехника, могут использовать эти решения для обеспечения стабильной производительности в различных условиях эксплуатации.

2.4 Установление протоколов обслуживания и мониторинга

Регулярное обслуживание и мониторинг имеют важное значение для управления рисками систем литиевых батарей. Проактивные меры, такие как периодические проверки и мониторинг в реальном времени, помогают выявлять потенциальные проблемы до их обострения. Расширенные диагностические инструменты могут обнаруживать аномалии напряжения, температуры и состояния заряда, что позволяет своевременно вмешиваться.

Разработка комплексного протокола технического обслуживания включает в себя:

• Проведение плановых осмотров на предмет наличия физических повреждений или признаков износа.

• Использование предиктивной аналитики для прогнозирования потенциальных сбоев на основе исторических данных.

• Внедрение автоматизированных систем мониторинга для отслеживания состояния аккумулятора в режиме реального времени.

Эти практики не только повышают безопасность, но и оптимизируют производительность и долговечность литий-ионных аккумуляторов. Предприятия в таких секторах, как медицинские приборы, робототехника и инфраструктура, могут значительно сократить время простоя и сбои в работе, приняв эти стратегии.

Ознакомьтесь с индивидуальными решениями для систем литиевых аккумуляторов здесь.

Часть 3: Стандарты безопасности и протоколы испытаний литий-ионных аккумуляторов

3.1 Обзор основных стандартов безопасности (UL, IEC, правила ООН)

Соблюдение текущих стандартов безопасности имеет важное значение для обеспечения надежности и безопасности литий-ионных аккумуляторов. Такие стандарты, как UL , IEC и правила ООН, содержат всеобъемлющие рекомендации по производству, тестированию и транспортировке аккумуляторов. Например, UN 38.3 фокусируется на безопасной транспортировке литий-ионных аккумуляторов, устраняя такие риски, как утечки, возгорания и экологические стрессоры во время транспортировки. Аналогичным образом, IEC 62133 подчеркивает безопасность потребительской электроники, предотвращая такие опасности, как тепловой разгон и короткие замыкания. Он также требует надлежащей маркировки и документации для соответствия.

Соблюдая эти стандарты, вы можете быть уверены, что ваши литий-ионные аккумуляторы соответствуют мировым стандартам безопасности, что снижает риски и повышает доверие к вашей продукции.

3.2 Протоколы испытаний литий-ионных аккумуляторных батарей

Надежные протоколы тестирования имеют решающее значение для оценки производительности и безопасности литий-ионных аккумуляторных батарей. Эти протоколы включают такие методы, как измерение напряжения, омическое тестирование и тестирование полного цикла. Измерение напряжения отражает состояние заряда, в то время как омическое тестирование выявляет внутреннее сопротивление и потенциальные дефекты. Тестирование полного цикла обеспечивает точные показания емкости через циклы заряда и разряда.

Новые технологии, такие как ИИ и машинное обучение, революционизируют тестирование аккумуляторов. Эти инструменты анализируют большие наборы данных для прогнозирования режимов отказов и оптимизации протоколов тестирования. Системы мониторинга в реальном времени и передовые методы визуализации, такие как рентгеновское и КТ-сканирование, позволяют проводить неинвазивные проверки структур аккумуляторов. Внедряя эти передовые стандарты тестирования, вы можете гарантировать безопасность и надежность ваших литий-ионных аккумуляторов.

Ознакомьтесь с индивидуальными решениями для систем литиевых аккумуляторов здесь.

3.3 Процессы сертификации для производителей литий-ионных аккумуляторов

Процессы сертификации для производителей литий-ионных аккумуляторов включают строгие оценки для обеспечения соответствия стандартам безопасности и качества. Эти оценки охватывают такие области, как управление качеством, обучение персонала и инфраструктура. Например, аудиты часто проверяют документацию, инспектируют объекты и анализируют политику отчетности об инцидентах. Регулярные аудиты показали значительные улучшения в качестве и безопасности. Одно исследование показало 50%-ное снижение частоты отказов напряжения холостого хода (OCV) после внедрения рекомендаций аудита с дальнейшими улучшениями в последующие месяцы.

Получая сертификаты, вы демонстрируете свою приверженность безопасности и качеству, что имеет решающее значение для завоевания доверия на промышленных и коммерческих рынках.

3.4 Важность соответствия для промышленного применения

Соблюдение стандартов безопасности литий-ионных аккумуляторов имеет жизненно важное значение для промышленного применения. Мировой рынок литий-ионных аккумуляторов ежегодно растет более чем на 30%, что повышает потребность в строгих мерах безопасности. Регулирующие органы, такие как OSHA, применяют штрафы за нарушения безопасности, подчеркивая важность соблюдения этих стандартов. Недавний инцидент с возгоранием литиевой батареи в октябре 2023 года продемонстрировал последствия недостаточного обучения сотрудников опасностям безопасности.

Для таких отраслей, как медицинские приборы, робототехника и системы хранения энергии, соответствие обеспечивает эксплуатационную надежность и снижает риски. Надлежащее соблюдение стандартов безопасности также способствует безопасной утилизации батарей и содействует устойчивым методам переработки батарей. Отдавая приоритет соответствию, вы можете защитить свой бизнес от сбоев в работе и ущерба репутации.

Ознакомьтесь с индивидуальными решениями для систем литиевых аккумуляторов здесь.

Часть 4: Будущие тенденции в области безопасности литий-ионных аккумуляторов

4.1 Новые технологии управления рисками систем литиевых батарей

Новые технологии меняют то, как можно управлять рисками в системах литиевых батарей. Эти достижения решают такие важные проблемы, как высокие температуры и воспламеняемость, которые исторически препятствовали внедрению в чувствительных приложениях.

• Системы управления батареями (BMS) становятся умнее благодаря интеграции ИИ. Теперь эти системы отслеживают состояние батареи в режиме реального времени, оптимизируя производительность и предотвращая сбои, которые могут привести к пожарам.

• Огнестойкие электролиты набирают популярность. Они повышают безопасность, снижая риск теплового разгона, и могут быть легко интегрированы в существующие производственные линии.

• Также разрабатываются негорючие ионные жидкости и огнезащитные добавки для дальнейшего повышения огнестойкости.

Рынок литий-ионных аккумуляторов, который, по прогнозам, достигнет $349,6 млрд к 2034 году, движим этими инновациями. Поскольку спрос растет в таких секторах, как электромобили и возобновляемая энергия, внедрение этих технологий обеспечивает более безопасные и надежные аккумуляторные системы.

4.2 Достижения в технологии твердотельных аккумуляторов

Твердотельные батареи представляют собой значительный шаг вперед в технологии аккумуляторов. Они заменяют жидкие электролиты твердыми, предлагая ряд преимуществ:

Такие компании, как Volkswagen и Samsung SDI, лидируют в этом направлении. Сотрудничество Volkswagen с QuantumScape привело к созданию аккумуляторов с более быстрым временем зарядки и более высокой плотностью энергии. Toyota нацелена на запас хода в 750 миль на одной зарядке с помощью своих твердотельных аккумуляторов для электромобилей, обещая 10-минутное время зарядки. Эти достижения делают твердотельные аккумуляторы более безопасной и эффективной альтернативой для будущих применений.

4.3 Рекомендации для предприятий по повышению безопасности литий-ионных аккумуляторов

Чтобы оставаться впереди, вам следует принять упреждающие меры по повышению безопасности литий-ионных аккумуляторов. Начните с интеграции усовершенствованной BMS в ваши системы. Эти инструменты контролируют критические параметры, такие как напряжение и температура, предотвращая потенциальные сбои.

Инвестируйте в огнестойкие материалы и изучите варианты твердотельных аккумуляторов для приложений, требующих более высоких стандартов безопасности. Регулярно обновляйте протоколы обслуживания, чтобы включить мониторинг в реальном времени и прогнозную аналитику. Эти шаги не только снижают риски, но и повышают срок службы и надежность ваших аккумуляторных систем.

Применяя эти стратегии, вы готовите свой бизнес к удовлетворению растущих потребностей рынка, обеспечивая при этом безопасность и эффективность работы.

Внедрение передовых методов обеспечения безопасности литий-ионных аккумуляторов обеспечивает эксплуатационную надежность и минимизирует риски. Соблюдение стандартов безопасности и использование передовых технологий, таких как твердотельные аккумуляторы, повышают производительность и безопасность. Приоритет исследований и инноваций для удовлетворения потребностей отрасли в секторах медицины, робототехники и инфраструктуры. Изучите индивидуальные решения для литий-ионных аккумуляторов от Large Power.

Часто задаваемые вопросы

1. Что такое тепловой разгон и чем он опасен?

Тепловой разгон происходит, когда литиевая батарея генерирует чрезмерное тепло, что приводит к пожарам или взрывам. Это представляет значительный риск для безопасности и имущества.

2. Как можно снизить риск выхода из строя литиевых аккумуляторов?

Риск можно снизить, используя современные системы управления аккумуляторными батареями, внедряя решения по охлаждению и проводя регулярное техническое обслуживание для предотвращения случаев теплового разгона.

3. Безопасны ли литиевые батареи для промышленного применения?

Да, литиевые батареи безопасны, если соблюдать стандарты безопасности, применять стратегии управления рисками и принимать превентивные меры для предотвращения возможных неконтролируемых ситуаций.

Совет: для получения профессиональных рекомендаций по стандартам безопасности посетите сайт Large Power .