При какой температуре горит литий
Перейти к содержимому

При какой температуре горит литий

  • автор:

Литий

Литий относится к металлам, для которых изготовление образца с чистой, неокисленной поверхностью является достаточно сложной задачей. Проблема состоит в его высокой реакционной способности. Если бросить в воду кусочки лития и натрия, натрий будет реагировать с водой гораздо быстрее. Если взять достаточно большой кусок натрия (больше рамма), он скорее всего расплавится, загорится и произойдет небольшой взрыв выделяющегося водорода. Литий же реагирует с водой гораздо спокойнее (может быть немного быстрее кальция), однако при повышенной температуре, литий начинает проявлять гораздо большую активность. Он корродирует большинство материалов, растворяет металлы, разъедает практически все сорта стекла, горит в азоте. Его невозможно перегнать в вакууме в ампулу, как остальные щелочные металлы, поскольку расплавленный литий моментально разъедает стеклянную установку. Кстати, с азотом он реагирует и при комнатной температуре, поэтому моя попытка отрезать кусочек лития в азотном боксе не увенчалась успехом: литий мгновенно покрылся черным налетом (скорее всего, нитридом). В большинстве коллекций элементов образец лития находится под слоем минерального масла (однако и там он темнеет).

Почему сложно потушить возгорание тяговой литий-ионной батареи

Возгорания тяговых литий-ионных батарей случаются не так уж часто, но потушить их обычно сложно. Чем выше заряд и плотность энергии в ячейках, тем опаснее пожар. Например, для тушения пожара электромобиля с литиевым аккумулятором может потребоваться 10-50 тонн холодной воды, а также специальный огнетушащий аэрозоль из вермикулита. Давайте рассмотрим, почему возникают трудности с тушением.

Основные проблемы

При борьбе с возгораниями литий-ионных батарей ученые сталкиваются со следующими проблемами:

Цепная реакция теплового разгона в аккумуляторном элементе возникает по многим причинам: из-за перезарядки, жаркой среды, производственных дефектов, повреждений.

Литий-ионная батарея может состоять из десятков или сотен ячеек. Перегрев и возгорание одной ячейки вызывает перегрев и возгорание соседних.

Клапаны сброса давления, термостойкие сепараторы, системы терморегуляции и другие средства защиты не всегда эффективны. Например, защитные клапаны часто не справляются с резким ростом внутреннего давления из-за экстремально быстрого образования газов.

Многие химические составы литий-ионных батарей вызывают реакции с образованием кислорода, что усиливает горение. Именно поэтому пожары тяговых аккумуляторов так трудно потушить несмотря на гораздо меньшую энергетическую плотность, чем у бензина.

Постоянно появляются новые химсоставы, добавки, которые улучшают характеристики литиевых аккумуляторов, но плохо изучены с точки зрения пожарной опасности. Каждое новое химическое вещество вносит изменения в протекающие химические реакции. В итоге затруднительно распутать все химические реакции.

график теплового разгона разных типов литий-ионных аккумуляторов

Как происходит тепловой разгон

Возгорание литий-ионной батареи начинается в одном элементе в результате химического процесса, называемого тепловым разгоном. В каждом элементе находятся анод и катод. Первый высвобождает электроны, второй поглощает. Анод и катод разделены электроизолирующим слоем (сепаратором), который не пропускает только ионы лития, а для электронов создан внешний путь. Электроны покидают аккумулятор по внешнему пути, совершают определенную работу, а затем снова возвращаются. Если бы сепаратора не было, то между анодом и катодом возникала бы искра короткого замыкания.

схема разряда литий-ионного аккумулятора

Теперь предположим, что одна ячейка в литий-ионной батарее по какой-то причине начинает перегреваться. Когда температура достигает примерно 130-150°С, полимерный сепаратор плавится и возникает искра короткого замыкания. В результате нагрева жидкий электролит может разлагаться и переходить в газообразную форму. В литий-ионных элементах также находятся оксиды металлов, которые при нагревании выделяют кислород. Кислород, в свою очередь, способствует реакциям горения. В итоге содержащиеся в аккумуляторе жидкости и газы могут загореться, что приводит к еще большему выделению тепла и газов. Всё, пожар начался.

Последовательность теплового разгона li-ion аккумулятора

Внезапность теплового выброса

Если посмотреть на график теплового разгона литий-ионной батареи, то можно увидеть зависимость роста температуры от времени. Сначала процесс происходит медленно, а затем резко наступает огромный выброс энергии, и температура поднимается до пика примерно за секунду. В какой-то момент, при нагревании всего на 10% скорость реакции повышается в 350 и более раз, что вызывает резкий скачок температуры. Экспоненциальное увеличение скорости реакции значительно превышает линейное увеличение теплоотдачи. Температура литий-ионного аккумулятора с 200°С может сразу подскочить до 1000°С и выше. Результат такого скачка температуры печален. Вот почему для тушения крупных тяговых литиевых батарей приходится использовать тонны холодной воды, только они способны охладить такой пыл.

Причины возгораний Li-ion аккумуляторов, как и чем их тушить

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы внешне напоминают привычные пальчиковые батарейки, однако имеют огромное преимущество над ними в силе тока и емкости. Им нашлось применение в современных как бытовых приборах, так и в технике: от смартфонов до электромобилей.

Сотовый телефон

Сотовый телефон. Почему они загораются и взрываются?

Следует помнить, что как и любая другая батарейка, литий-ионный аккумулятор несет в себе некоторые риски. Несмотря на то, что такая батарейка имеет относительно небольшой размер, последствия ее взрыва могут быть весьма печальными. Неправильная эксплуатация и утилизация могут стать причиной ожога, отравления и загрязнения окружающей среды.

Но, пожалуй, самое страшное, что может случиться в квартире – это пожар. А значит, каждый обязан быть в курсе того, что делать, если причиной возгорания стал литий-ионный аккумулятор.

Прежде всего следует отметить, что возгорание аккумулятора этого типа – крайне редкое дело. Он скорее вздуется, и из него вытечет электролит, но тем не менее в новостях каждый год описывают случаи взрыва аккумуляторов у смартфонов и прочих гаджетов.

Причины взрыва

Для того чтобы понять отчего происходит самовозгорание литий-ионных аккумуляторов, стоит вспомнить школьный курс физики и химии. Причина кроется в коротком замыкании между катодом и анодом, при котором повышается сила тока, явление разогревает элемент питания. Когда температура нагрева находится в пределах 70-90° С расплавленный литий вступает в реакцию с электролитом.

На эту тему ▼
Действия ударной волны и поражающие факторы

Выделяются взрывоопасные вещества, но без кислорода взрыва не возникает. Верным решением в описанной ситуации станет-разлом корпуса. Так или иначе, возгорание все равно случится, но в данном случае это будет именно горение, а не взрыв. Предположим, что аккумулятор крепкий. В скором времени температура повысится до 200 °С, а материал катода начнет разлагаться с выделением кислорода. Ускорит процесс термическое разложение электролита.

Теперь самое время вспомнить, что присутствие углеводородов, окислителя в виде кислорода и высокая температурная отметка – идеальное сочетание для взрыва.

В дальнейшем стоит ожидать, что взрывной волной будет сорвана крышка батарейного отсека либо пострадает девайс целиком. Второй вариант несет в себя серьезную опасность для пользователя устройства. Не исключено что, нагрев аккумулятора достигнет температуры 660-900 °С. Явление станет свидетельством реакции электролита и графита, расплавится алюминиевый токоприёмник.

Короткое замыкание, как правило, становится следствием физического воздействия на батарею. Если при ударе анод и катод соприкоснутся, подобный исход запустит необратимую реакцию.

Еще одной причиной самовозгорания может стать банальный перегрев, вызванный эксплуатацией неподходящего зарядного устройства или длительного пребывания электроприбора под солнцем. Из-за воздействия высокой температуры АКБ распирает, скорость химических реакций значительно возрастает.

Старение аккумулятора тоже увеличивает риск возгорания смартфона, планшета и гироскутера.

На эту тему ▼
Треугольник огня и пожарный тетраэдр

Чаще всего взрываются батарейки, чей срок службы давно истек. По прошествии 4-5 лет корпус и внутренности батарейки претерпевают изменения вследствие действия электролита, и потому аккумулятор становится крайне уязвим к перепаду температур, вибрации, короткому замыканию и механическим повреждениям. Из-за замыкания химические вещества, содержащиеся внутри аккумулятора, вступают в реакцию и образуют газы. Он начинает греться и вздувается.

Разумеется, аккумулятор обладает защитой: это специальный клапан, который открывается под определенным давлением и позволяет газам выйти наружу. Но иногда скорость реакции внутри настолько велика, что происходит настоящий взрыв батарейки, при котором вы видим потоки искр. Так воспламеняются газы при контакте с кислородом из атмосферы.

Почему взрываются

Как тушить

Как бы мы не старались избежать неприятных ситуаций связанных с возгоранием АКБ, от приобретения некачественной продукции никто не застрахован. Столкнувшись с проблемой возгорания аккумулятора, принадлежащего смартфону, планшету или гироскутеру необходимо четко следовать правилам ликвидации горения:

  1. Оказавшись в неприятной ситуации – самое главное сохранять спокойствие.
  2. Если электроприбор задымил, находясь на зарядке – обесточьте его. Для этого нужно ограничить питание при помощи автомата на щитке или вытащить вилку из розетки. Ни в коем случае не касайтесь горящего устройства!
  3. Остановите поступление кислорода, он поддерживает горение. Накройте устройство кастрюлей или плотным одеялом.

Что делать, если загорелся аккумулятор

Что делать, если загорелась аккумуляторная батарея мобильного устройства (гаджета)

Внимание. Если химическая реакция в аккумуляторе запущена, остановить ее вряд ли удастся. Либо она прекратится без всякого вмешательства, либо прибор взорвется. Как бы там ни было, стоит позаботиться о том, чтобы последствия были минимальными:

  1. Если обстоятельства позволяют, выбросьте прибор или батарею, туда, где горение и взрыв не навредит.
  2. Если времени для раздумья нет – накройте устройство чем-то, что плохо горит и сможет сдержать осколки при взрыве.

Важно. Для тушения чистого лития нельзя использовать воду, соединяясь с ней вещество образует взрывоопасную смесь.

На эту тему ▼
ТОП 4 подручных средства для тушения пожаров

К счастью в современных АКБ в чистом виде металлический литий не применяется, поэтому тушение водой им не повредит. Если же инцидент коснулся не перезаряжаемой литиевой батарейки, тут уж нужно поберечься.

Если устройство было подключено к сети, в первую очередь нужно выдернуть шнур из розетки. Горение аккумулятора от этого не прекратится, но так вы обезопасите себя и свою квартиру от больших повреждений. Постарайтесь отнести устройство в огнеупорное место, например, в ванну или кухонную раковину. Дайте ему просто выгореть и остыть, а затем утилизируйте.

Порошковый огнетушитель – самое действенное средство борьбы с горящим литий-ионным аккумулятором. Но в критической ситуации подойдут любые стандартные противопожарные меры: тушение водой, песком, плотной тканью.

Следует напомнить, что мы говорим об аккумуляторах маленького размера. Тушение водой крупных Li-ion батарей, которыми оснащены электромобили, крайне опасно из-за бурной реакции лития с водой.

Влияние температуры на производительность и безопасность литий-ионных аккумуляторов

Температура эксплуатации литий-ионных аккумуляторов

Температура эксплуатации литий-ионных аккумуляторов допустима в диапазоне от -20 до +60 °С, а для элементов питания подвида LiFePO4 и других морозостойких моделей – от -30 или даже -40 до +55 °С. Но это не значит, что при всех значениях указанного в инструкции рабочего диапазона аккумуляторы будут работать одинаково. Эксплуатация Li-ion элементов при температурах, близких к граничным значениям, негативно отражается на основных характеристиках АКБ, таких как:

  • стабильность напряжения;
  • уровень рабочей емкости;
  • способность запасать и отдавать энергию;
  • время работы без подзарядки;
  • циклический ресурс.

Систематическое использование в пограничных режимах приводит к ускоренному износу аккумуляторной батареи и ухудшению ее технических параметров. Выход за границы температурного диапазона недопустим, т.к. в лучшем случае приводит к быстрой деградации химических источников тока и делает эксплуатацию АКБ небезопасной.

Лучшая температура для Li-ion аккумуляторов

Идеальная температура для работы литий-ионных АКБ составляет около +20 °С, с возможным отклонением на 5–10 градусов в любую сторону. Для зарядки рекомендован диапазон от +5 до +20 °С, но можно расширить его – от +1 до +30 °С. Для хранения оптимально подходят более низкие значения – от 0 до +10 °С, причем лучше всего хранить Li-ion аккумуляторы частично заряженными, на 30–50%. Если хранить АКБ заряженными на 100%, это приведет к уменьшению восстанавливаемой емкости.

С другой стороны, хранение литиевых ХИТ в состоянии глубокого разряда еще опаснее. В таком случае в структуре химических источников тока происходят необратимые изменения, и восстановить литий-ионные АКБ, которые долго находились в разряженном состоянии, не получится. К тому же, такие попытки могут привести к внутреннему короткому замыканию, возгоранию и другим неприятностям, т.к. при хранении в глубоко разряженном состоянии литиевые аккумы склонны к росту дендритов и другим необратимым изменениям в структуре.

АКБ Li-ion 36 Вольт 11S9P (29,7-46,2В) 23,4 А*ч-58,5 А*ч

Артикул: 2559

АКБ Li-ion 36 Вольт 11S10P (29,7-46,2В) 26 А*ч-65 А*ч

Артикул: 2560

АКБ Li-ion 36 Вольт 10S13P (27-42В) 33,8 A*ч - 84,5 A*ч

Артикул: 2758

АКБ Li-ion 33,3 Вольта 9S2P (24,3-37,8В) 5,2A*ч - 10,6A*ч

Артикул: 4551

Использование литиевых АКБ на морозе

Большинство литий-ионных батарей на морозе теряют емкость. Также у них наблюдаются просадки напряжения, ухудшение токоотдачи, быстрая разрядка. Это связано с изменениями свойств электролита: снижение температуры негативно сказывается на подвижности ионов, скорости протекания химических реакций и производительности АКБ. Такие изменения носят временный характер и при повышении температурных значений исчезают.

Среди Li-ion элементов питания есть низкотемпературные аккумуляторы, способные эффективно работать при температуре от -40 до +50 °С. Их свойства обусловлены использованием особых электролитов, проводимость которых на морозе остается высокой. Для улучшения характеристик электролита на морозе производители используют специальные добавки, например, дифторфосфат лития LiPO2F2. К морозоустойчивым относятся также литий-титанатные и литий-железо-фосфатные АКБ.

Для остальных видов Li-ion батарей эффективное использование на холоде возможно при условии предварительного утепления корпуса теплоизоляционным материалом и использования системы подогрева с применением слаботоковых элементов. Такие меры минимизируют негативное влияние низких температур и позволяют полноценно использовать литий-ионные АКБ зимой. Также наличие системы подогрева позволяет заряжать литиевые батареи при отрицательной температуре окружающей среды.

Влияние высоких температур

Влияние высоких температур на батарею

Перегрев для Li-ion батарей так же нежелателен и вреден, как и переохлаждение. Но он еще более опасен, т.к. кроме сокращения срока службы АКБ и снижения рабочих характеристик сопряжен с риском возгорания источника питания. Поэтому аккумуляторные батареи нельзя оставлять рядом с источниками тепла и под воздействием прямых солнечных лучей, накрывать в процессе зарядки и использовать с превышением допустимых токов заряда или нагрузки.

В процессе работы литий-ионные АКБ выделяют тепло. Чем выше токи заряда или разряда и чем больше внутреннее сопротивление элементов, тем интенсивнее их нагрев. Если выделение тепла слишком высоко, да еще и вокруг жара, нагрев может оказаться критичным – с превышением максимального значения рабочего диапазона. В таком случае, как минимум, снижается производительность батареи, уменьшаются значения ее емкости и мощности. Емкость падает из-за потери лития и сокращения активных материалов, а мощность – из-за увеличения внутреннего сопротивления.

При критическом увеличении температуры может произойти тепловой разгон, самовозгорание или взрыв АКБ. Поэтому последствия перегрева еще более губительны, чем итоги переохлаждения. Как минимум, высокие температурные условия приводят к ускоренному старению и сокращению циклического ресурса батарей. Для защиты от перегрева важно не превышать допустимые токовые нагрузки для конкретного типа АКБ (для питания мощной техники – использовать высокотоковые элементы) и позаботиться о полноценном отводе тепла (обдуве АКБ, вентиляции).

Контроль температуры

Датчик температуры

Соблюдение оптимальных температурных условий при эксплуатации Li-ion элементов питания напрямую влияет на их производительность и безопасность использования. Контроль температуры – одно из важнейших условий для корректного применения литий-ионных АКБ и недопущения нештатных ситуаций.

Для мониторинга рабочих параметров и защиты аккумуляторных батарей от опасных состояний используют BMS платы. Именно эти электронные контроллеры следят, чтобы напряжение, температура, отдаваемые токи и другие параметры не выходили на установленные границы. В опасных ситуациях они просто отключают АКБ от нагрузки или зарядного устройства, не допуская повышения возникших рисков (перегрева , перезаряда, токовых перегрузок и т.д.).

Эффекты при перегреве гораздо сложнее и опаснее, чем при переохлаждении. Поэтому в большинстве БМС плат реализована защита от перегрева, а об утеплении и подогреве АКБ для зимнего использования нужно позаботиться дополнительно. Датчик температуры позволяет контролировать состояние батареи, включать подогрев при снижении значения ниже установленного минимума и отключать при достаточном нагреве.

Подведем итоги

Чтобы минимизировать низко- и высокотемпературные эффекты при эксплуатации Li-ion аккумуляторов, нужно поддерживать комфортные температуры при их работе, хранении и зарядке:

  • в идеале – использовать примерно при +20 °С;
  • заряжать при +5 … +20 °С;
  • хранить при 0 … +10 °С.

Отклонения от идеальных значений допустимы, но только в пределах установленного рабочего диапазона и без критического приближения к граничным температурам. Иначе снижается производительность и безопасность использования аккумуляторов, происходят необратимые структурные изменения и ухудшаются рабочие характеристики. При правильном выборе и корректном использовании АКБ их тепловыделение невысоко, поэтому естественный отвод тепла становится достаточной защитой от перегрева. Дополнительный контроль рабочих параметров и многофункциональную защиту аккумуляторной батареи обеспечивает BMS плата.

При низких температурах замедляется протекание электрохимических реакций и диффузия ионов лития в электродах, снижается ионная проводимость электролитов, повышается их вязкость, увеличивается импеданс направленной миграции ионов лития, растет внутреннее сопротивление, и аккумуляторы временно становятся менее производительными. В плане безопасности минусовые температуры опасны, только если поставить АКБ заряжаться на морозе. Исключение – модели со встроенным предварительным подогревом. Их можно заряжать и при отрицательных температурах окружающей среды.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *