Как загораются литий-ионные аккумуляторы в электромобилях

Литий-ионные батареи широко используются в различных электронных устройствах и транспортных средствах, но знаете ли вы, что они также склонны к возгоранию? Хотя такие инциденты происходят относительно редко, все же важно понимать, почему и как происходят эти пожары, особенно с ростом популярности электромобилей.

Что такое тепловой выброс?

Тепловой выброс – это основная причина возгорания литий-ионных батарей. Это происходит, когда весь блок батареи перегревается, что приводит к пожару. Это явление может быть вызвано различными факторами, включая перезарядку, повреждение при ударе или использование неисправных компонентов.

Как работают литий-ионные аккумуляторы?

Литий-ионные батареи состоят из катода, анода и электролита. Катод, обычно изготовленный из металла на основе лития, высвобождает электроны, которые проходят через электролит, представляющий собой органическое соединение солей лития. Анод на основе углерода принимает электроны, обеспечивая протекание электрического тока, тем самым разряжая батарею.

Конструкция литий-ионных аккумуляторов

Полный комплект литий-ионных батарей включает в себя несколько элементов, регулятор напряжения, системы управления батареей и системы охлаждения. Один элемент, который обычно имеет форму обычного элемента ААА или кирпича, состоит из катода, анода, сепаратора и вентиляционного отверстия. Сепаратор представляет собой тонкий пластиковый фильтр, который пропускает только ионы.

Химия, лежащая в основе литий-ионных батарей

Катод литий-ионной батареи сделан из оксида кобальта лития, анод – из графита, а электролит – из жидкости на основе литий-иона с этиленкарбонатом или диэтилкарбонатом в качестве растворителя.

Зарядка литий-ионных аккумуляторов

Зарядка литий-ионных батарей заключается в подаче электрического тока от анода к катоду, который восполняет электроны, потерянные катодом. Напряжение этого тока выше, чем напряжение, вырабатываемое одним элементом, обычно около 3,7 вольт.

Почему литий-ионные батареи нагреваются

Во время цикла зарядки и разрядки литий-ионных батарей выделяется тепло, поскольку электролит и анод оказывают электрическое сопротивление обратному напряжению, возникающему во время зарядки. В результате температура внутри батареи может достигать 271 градуса.

Пожары Nio

Недавний отзыв китайского производителя электромобилей Nio вызвал обеспокоенность по поводу потенциальной опасности литий-ионных батарей. Компания объявила отзыв после сообщений о самовозгорании автомобилей, в котором обвинили короткое замыкание, вызванное повреждением сепаратора.

Что такое короткое замыкание?

Короткое замыкание – это электрический ток, который «прыгает», вызывая короткое замыкание в проводке. В литий-ионных батареях короткое замыкание часто вызвано повреждением сепаратора, который представляет собой тонкий пластиковый лист, фильтрующий ионы. Если сепаратор ломается, это может вызвать повышенное напряжение и неконтролируемую реакцию, ведущую к пожару.

Почему ломаются сепараторы?

Сепаратор в литий-ионных батареях представляет собой очень тонкий пластиковый лист, поэтому он очень хрупкий и подвержен разрушению. Он может быть поврежден в результате ударов, что может вызвать неконтролируемую реакцию и быстрый разряд катода, приводящий к пожару.

Высокая плотность энергии

Литий-ионные батареи имеют высокую плотность энергии, что делает их в четыре раза мощнее традиционных свинцово-кислотных батарей.

Важно отметить, что, несмотря на периодически возникающую опасность возгорания, литий-ионные батареи по-прежнему являются предпочтительным выбором для питания электромобилей. Пожары случаются редко и вызваны сочетанием факторов, включая тепловой выброс, короткое замыкание, повреждение сепараторов и высокую плотность энергии. Производители постоянно работают над повышением безопасности литий-ионных батарей, но пользователи по-прежнему должны быть осторожны и правильно обслуживать свои автомобили и устройства.

Часто задаваемые вопросы

Как часто загораются литий-ионные батареи?

Литий-ионные батареи относительно безопасны, и случаи возгорания редки. Однако важно быть осторожным и правильно обслуживать свои автомобили и устройства, чтобы минимизировать риск возгорания.

Что такое тепловой разряд в литий-ионных батареях?

Тепловой разряд – это перегрев всего аккумулятора, приводящий к пожару. Обычно это вызвано сочетанием таких факторов, как короткое замыкание, поврежденные сепараторы и высокая плотность энергии.

Что вызывает короткое замыкание в литий-ионных батареях?

Короткое замыкание в литий-ионной батарее вызвано повреждением сепаратора. Это может произойти, если батарея подверглась удару, в результате чего ультратонкий сепаратор сломался. Это приводит к неконтролируемой реакции, которая быстро разряжает катод и нагревает электролит, что приводит к возгоранию.

Как я могу минимизировать риск возгорания литий-ионного аккумулятора?

Чтобы минимизировать риск возгорания литий-ионного аккумулятора, важно правильно обслуживать свои автомобили и устройства. Это включает в себя соблюдение инструкций производителя по зарядке и хранению, недопущение воздействия на аккумулятор сильной жары или холода, а также избегание физических повреждений аккумулятора. Кроме того, важно регулярно осматривать свои автомобили и устройства на наличие признаков повреждений или неисправностей.

Adreesh Ghoshal

Новая конструкция литий-воздушной батареи может обеспечить гораздо больший запас хода по сравнению с литий-ионной батареей

Электромобили становятся все более популярными благодаря своей экологичности и экономичности использования электричества в качестве источника энергии. Однако одной из главных проблем для владельцев электромобилей является ограниченный запас хода, предлагаемый нынешними литий-ионными батареями. Многие автовладельцы ищут аккумулятор, способный проехать на одной зарядке более тысячи миль. Именно здесь в игру вступает литий-воздушная батарея.



Исследователи из Иллинойского технологического института (IIT) и Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) разработали литий-воздушную батарею, которая может обеспечить гораздо больший запас хода по сравнению с литий-ионной батареей. Новая конструкция батареи может также обеспечить энергией самолеты и магистральные грузовики.

Что такое литий-воздушная батарея?

Литий-воздушная батарея – это перезаряжаемая батарея, в которой в качестве катода используется воздух, а в качестве анода – литий. Батарея работает по тому же принципу, что и литий-ионная батарея, с той лишь разницей, что литий-ион заменяется кислородом из воздуха. В процессе разряда литий реагирует с кислородом воздуха, образуя на катоде пероксид лития (Li2O2) или супероксид (LiO2). Эта химическая реакция накапливает энергию, которая затем высвобождается по требованию во время зарядки.

Новая конструкция литий-воздушной батареи

Основным новым компонентом литий-воздушной батареи является твердый электролит вместо обычного жидкого. Твердые электролиты не подвержены проблеме безопасности жидких электролитов, используемых в литий-ионных и других типах батарей, которые могут перегреться и загореться. Разработанная командой химия батареи с твердым электролитом потенциально может увеличить плотность энергии в четыре раза по сравнению с батареями, что приведет к увеличению дальности поездки.

«Более десяти лет ученые из Аргонна и других мест работали над созданием литиевой батареи, использующей кислород воздуха», – сказал Ларри Кертисс, заслуженный деятель Аргонна. «Литий-воздушная батарея имеет самую высокую прогнозируемую плотность энергии среди всех технологий батарей, рассматриваемых для следующего поколения батарей после литий-ионных».



Новый твердый электролит команды состоит из керамического полимерного материала, изготовленного из относительно недорогих элементов в форме наночастиц. Это новое твердое вещество позволяет проводить химические реакции, в результате которых при разряде образуется оксид лития (Li2O). «Химическая реакция супероксида или пероксида лития включает только один или два электрона на молекулу кислорода, тогда как химическая реакция оксида лития включает четыре электрона», – говорит химик из Аргонне Рашид Амин. Больше сохраненных электронов означает более высокую плотность энергии».

Достижение четырехэлектронной реакции при комнатной температуре

Разработанная командой литий-воздушная батарея – первая литий-воздушная батарея, в которой удалось достичь реакции с четырьмя электронами при комнатной температуре. Она также работает на кислороде, поступающем из окружающей среды, что позволяет избежать необходимости использования кислородных баллонов, что было проблемой в предыдущих конструкциях. Команда использовала множество различных методов, чтобы установить, что четырехэлектронная реакция действительно имеет место. Одним из ключевых методов была просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) продуктов разряда на поверхности катода, которая проводилась в Центре наноразмерных материалов Аргонна, являющемся пользовательским центром Управления по науке Министерства энергетики. Изображения, полученные с помощью ТЭМ, позволили получить ценные сведения о механизме четырехэлектронного разряда.

Длительный срок службы

Предыдущие испытательные литий-воздушные элементы страдали от очень короткого срока службы. Однако команда установила, что этот недостаток не относится к их новой конструкции батареи, создав и проработав испытательный элемент в течение 1000 циклов, продемонстрировав его стабильность при многократном заряде и разряде.

«При дальнейшем развитии мы ожидаем, что наша новая конструкция литий-воздушной батареи также достигнет рекордной плотности энергии в 1200 ватт-часов на килограмм», – сказал Кертисс.

DOE/Argonne National Laboratory