Безопасность разных типов литий-ионных аккумуляторов

Сравнение и безопасность литий-ионных аккумуляторных батарей

Химические свойства и состав литиево-ионных аккумуляторных батарей имеют критическое значение для их производительности, долговечности и, что наиболее важно, безопасности. То, как батарея работает, напрямую зависит от ее химического состава, поскольку он определяет как энергоемкость, так и химическую стабильность, а также устойчивость к нештатным ситуациям, включая тепловой разгон.

Как правило, чем больше энергии потенциально хранится на единицу веса или объема, тем выше может быть потенциальный риск в случае инцидента.

Для понимания спектра рисков, рассмотрим типы Li-ion батарей от наименее опасных к наиболее опасным:

1. Литий-титанатно-оксидные (LTO)
2. Литий-железо-фосфатные (LFP или LiFePO4)
3. Никель-марганец-кобальт-оксидные (NMC)
4. Никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA)
5. Литий-кобальт-оксидные (LCO)

Подробное рассмотрение покажет, почему химические составы, такие как LFP, считаются более безопасными по сравнению с NMC, NCA или LCO.

Тепловой разгон и химическая стабильность

Основной потенциальный риск, связанный с литиевыми ячейками, — это явление теплового разгона. При критическом перегреве может запуститься цепная реакция, которая в конечном итоге приводит к воспламенению или взрыву. Такие инциденты чаще всего являются следствием неправильной эксплуатации, эксплуатации в неблагоприятном климате или механических повреждений.

Важно понимать, что скорость реакции и температурный порог сильно зависят от конкретного химического состава ячеек. Не все типы литий-ионных аккумуляторов реагируют на перегрев одинаково.

График, показанный ниже, иллюстрирует разницу в выделении энергии во время искусственно вызванного теплового разгона различных химических составов.

Анализ этого графика показывает следующие ключевые различия:

• Высокий риск (LCO и NCA): Элементы с составами LCO и NCA наиболее опасны с точки зрения теплового выброса. Рост температуры в течение одной минуты достиг 470°C.
• Средний риск (NMC): Аккумуляторы с химическим составом NMC выделяют примерно вдвое меньше энергии. В данном случае, для превышения критической температуры в компонентах достаточно было более чем одной минуты, при этом повышение составило свыше 200°C. Такой уровень энергии потенциально способен вызвать внутреннее горение материалов и воспламенение элемента.
• Низкий риск (LFP): В отличие от предыдущих типов, элементы с составом LFP слабо подвержены тепловому разгону. За одну минуту повышение температуры было минимальным — всего 1,5°C. При таком низком уровне высвобождаемой энергии воспламенение принципиально исключено.

В сочетании с надежными системами управления батареями (BMS) на сегодняшний день LFP-аккумуляторы считаются самыми безопасными в классе литий-ионных технологий, если не рассматривать очень специфические и дорогие варианты, такие как LTO.

Механическая устойчивость и безопасность при повреждении

Выбор химического состава напрямую влияет на реакцию батареи на механические воздействия.

Надежный способ оценить различия в безопасности — это испытания на пробивание. При тестировании различных химических составов можно увидеть их различную стойкость к ударам и внешним воздействиям:

• LFP (LiFePO4): При перфорации элементов LFP продемонстрировали стабильное поведение.
• NMC: Элементы с составом NMC реагируют на пробивание почти мгновенным воспламенением.
• LCO, NCA и литий-полимерные аккумуляторы: Эти типы также воспламеняются при попытке испытания на пробивание.

Таким образом, повышенная безопасность литиево-ионных аккумуляторных батарей достигается за счет более высокого термического порога и химической устойчивости к неконтролируемым реакциям.