Чи безпечні літій-іонні блоки живлення?

Щоб зрозуміти загрозу безпеці блоків живлення, ми маємо спочатку заглибитися в їхню суть – світ літій-іонних акумуляторів. Від мобільних телефонів і ноутбуків до зарядних пристроїв, термін служби батареї сучасних електронних пристроїв залежить від цього складного, але енергоємного-пристрою. Його створення стало революцією в технології акумуляторів, але його властиві характеристики також посіяли насіння ризику.

1. Три основні компоненти літій-іонних батарей

Структура літій{0}}іонної батареї нескладна. Його серцевина складається з трьох частин: позитивного електрода, негативного електрода та електроліту разом із сепаратором і кожухом, які утворюють замкнуту «систему енергетичного циклу».

Позитивний електрод є «резервуаром» для іонів літію, відіграючи вирішальну роль у їх зберіганні та вивільненні. В даний час двома найпоширенішими матеріалами для позитивних електродів на ринку є літій-кобальт-оксид і літій-залізофосфат. Оксид кобальту літію має вищу щільність енергії, що дозволяє блокам живлення бути меншими та легшими, і тому широко використовується в побутовій електроніці; однак його термічна стабільність відносно низька, і він схильний до розкладання під високими температурами або в ненормальних умовах. Літій-залізо-фосфатні (LFP) матеріали, з іншого боку, демонструють надзвичайно високу термічну стабільність і вищий коефіцієнт міцності, але мають нижчу щільність енергії та потребують більшого об’єму для тієї самої потужності. Вони в основному використовуються в програмах із надзвичайно високими вимогами до безпеки, як-от нові енерготранспортні засоби та великомасштабні-пристрої зберігання енергії.

Негативний електрод, «тимчасове місце проживання» для іонів літію, в основному виготовлений з графіту. Графіт має шарувату структуру, схожу на акуратно розташовані «осередки». Під час заряджання іони літію можуть легко вбудовуватися в ці «елементи» для зберігання; під час розряду вони можуть впорядковано від'єднатися від «комірок» і повернутися до позитивного електрода. Однак, якщо метод заряджання є неправильним, іони літію можуть аномально осідати на поверхні графіту, утворюючи дендритні кристали металевого літію або «дендрити», що становить значний ризик для безпеки.

Електроліт, «канал човника» для іонів літію, зазвичай є органічним розчинником, таким як карбонатні сполуки. Його функція полягає в тому, щоб іони літію могли вільно переміщатися між позитивним і негативним електродами, завершуючи перетворення електричної енергії в хімічну. Однак цей органічний розчинник є легкозаймистим. Після впливу високих температур або відкритого вогню він швидко горить і може навіть розкладатися з утворенням великої кількості горючих газів. Це ключова причина, чому літієві батареї горять так інтенсивно.

Крім того, всередині батареї є роздільник товщиною лише мікрометри, який діє як «брандмауер» між позитивним і негативним електродами, запобігаючи прямому контакту. Сепаратор зазвичай виготовляється з поліпропілену або поліетилену з мікропористою структурою, яка пропускає іони літію, але блокує електрони. Однак цей «брандмауер» дуже крихкий і може втратити свою ізолюючу функцію, якщо піддати його фізичному пошкодженню або високим температурам.

2. Щільність енергії: двосічний меч зручності та ризику

Основна перевага літій-іонних батарей як переважного джерела живлення для сучасних електронних пристроїв полягає в їхній над-високій щільності енергії-здатності зберігати набагато більше електроенергії на одиницю об’єму чи ваги, ніж традиційні батареї. Наприклад, акумулятор розміром з долоню може мати ємність 10 000 мАг, достатньої для зарядки мобільного телефону 2-3 рази, тоді як нікель-кадмієвий акумулятор такої ж ємності може бути більш ніж утричі більшим і важчим.

Зручність цієї високої щільності енергії-очевидна: немає потреби носити з собою громіздкі акумулятори живлення, коли виходите на вулицю; павербанки можна легко помістити в рюкзак або кишеню, дозволяючи поповнювати свої пристрої в будь-який час і в будь-якому місці. Однак чим більше концентрована енергія, тим вищий ризик. Як і вибухові речовини, невелика кількість вибухівки є відносно безпечною, але якщо вона висококонцентрована, навіть невелика іскра може спровокувати сильний вибух. Висока щільність енергії літій-іонних батарей стискає велику кількість хімічної енергії в невеликому просторі. Як тільки ця хімічна енергія випадково запускається, вона буде вивільнятися з надзвичайно швидкою швидкістю, створюючи неконтрольоване лихо.

3. Система керування акумулятором (BMS): безпечний «розумний менеджер»

Банки живлення з літієвими акумуляторами від авторитетних виробників оснащені системою керування акумулятором (BMS), яка діє як «розумний менеджер» блоку живлення, контролюючи та захищаючи робочий стан акумулятора.

Основні функції BMS включають захист від перезаряду,-розряду, короткого{1}}замикання та-перегріву. Під час зарядки, коли батарея повністю заряджена, BMS автоматично відключає ланцюг зарядки, щоб запобігти потраплянню надмірної кількості іонів літію в негативний електрод. Під час розряду, коли рівень заряду падає нижче безпечного порогу, розряд припиняється, щоб запобігти руйнуванню структури матеріалу позитивного електрода. Якщо виявлено коротке замикання між позитивним і негативним електродами, він негайно відключає струм. Коли температура акумулятора перевищує безпечний діапазон, він запускає програму охолодження або припиняє роботу.

Високий ризик використання нестандартних блоків живлення здебільшого пов’язаний із відсутністю BMS або використанням BMS дуже низької -якісності. Без моніторингу цього «розумного менеджера» акумулятор схожий на коня-втікача; як тільки виникає аномалія, захисні заходи не можуть бути вжиті вчасно, що легко призводить до термічної втечі.

ACEY-BMS-1Машина для тестування BMSвикористовується під час перевірки безпеки плати захисту літієвої батареї, щоб визначити, чи функціональні показники плати захисту знаходяться в межах розумних параметрів, щоб забезпечити набір стандартів тестування для персоналу, що сприяє підвищенню ефективності виробництва та полегшенню контролю якості.

Мимовільне займання та вибух літій{0}}іонних блоків живлення — це, по суті, ланцюгова реакція, спричинена «тепловою втечею». Теплова втеча відноситься до безперервного накопичення тепла всередині батареї, що спричиняє безперервне підвищення температури, що, у свою чергу, запускає серію екзотермічних реакцій, що зрештою призводить до незворотного процесу горіння та вибуху. Цей процес зазвичай триває від кількох секунд до десятків секунд, є надзвичайно швидким і його важко перервати вручну.

1. Внутрішнє коротке замикання: «бомба уповільненої дії», захована всередині батареї

Внутрішнє коротке замикання є однією з основних причин термічної розбіжності, яка стосується прямого контакту між позитивним і негативним електродами батареї через внутрішні домішки або дендрити, утворюючи петлю струму.

Утворення внутрішніх коротких замикань в основному має дві причини: По-перше, дефекти в процесі виробництва. Якщо під час виробництва батареї в позитивний електрод, негативний електрод або сепаратор змішуються такі домішки, як металеве сміття, ці домішки можуть стати «містками» між позитивним і негативним електродами, що призведе до короткого замикання. По-друге, дендрити утворилися під час-тривалого використання. Під час заряджання іони літію вбудовуються в шарувату структуру графіту в негативному електроді. Однак, якщо зарядний струм занадто високий, кількість циклів заряджання занадто велика або використовується несумісний зарядний пристрій, деякі іони літію не вдасться успішно впровадити й замість цього осідають на поверхні негативного електрода, утворюючи дендритні кристали металевого літію (дендрити). З часом ці дендрити ростуть і, зрештою, пронизують сепаратор мікрон-розміру, з’єднуючи позитивний і негативний електроди та спричиняючи коротке замикання.

Як тільки відбувається внутрішнє коротке замикання, всередині акумулятора миттєво генерується величезний струм. Відповідно до закону Джоуля, струм, що протікає через резистор, виділяє велику кількість тепла. За кілька секунд внутрішня температура батареї може злетіти до сотень градусів Цельсія. Ця висока температура змушує електроліт швидко горіти, розкладаючись на легкозаймисті гази, такі як водень і чадний газ. Внутрішній тиск батареї різко зростає, що зрештою призводить до розриву корпусу. Гази, що витікають, змішуються з повітрям і, контактуючи з високою температурою, запалюють горіння.

Під час інциденту 2024 року, пов’язаного із самозайманням пауербанку певної марки, тестування показало, що наявність металевих домішок усередині батареї після тривалого використання спричинила внутрішнє коротке замикання, що призвело до перегріву.

2. Зовнішнє коротке замикання: ризик, який найлегше не помітити під час щоденного використання

Зовнішнє коротке замикання виникає, коли позитивний і негативний полюси батареї безпосередньо з’єднані через зовнішній металевий об’єкт, утворюючи струмову петлю та миттєво створюючи високі температури.

Причини зовнішнього короткого замикання дуже поширені, здебільшого через погані звички використання. Наприклад, розміщення павербанка в одній кишені чи відділенні рюкзака з ключами, монетами чи кабелями для передачі даних може спричинити випадковий контакт цих металевих предметів із позитивними та негативними клемами павербанка, що призведе до короткого замикання. Ризик ще вищий для блоків живлення без захисної кришки на портах-гострий кінець ключа можна легко вставити в порт, одночасно торкаючись позитивних і негативних металевих контактів.

Крім того, пошкоджені порти блоку живлення або пошкоджена ізоляція кабелю даних також можуть призвести до зовнішнього короткого замикання. Наприклад, оголені металеві дроти в кабелі даних можуть торкнутися порту блоку живлення, потенційно спричинивши коротке замикання. Високі температури, спричинені зовнішнім коротким замиканням, можуть безпосередньо запалити корпус блоку живлення або навколишні легкозаймисті матеріали, потенційно спричинивши пожежу.

У 2023 році студент коледжу поклав павербанк і ключі в бічну кишеню свого рюкзака. Під час прогулянки ключі випадково затиснули порт павербанка, що спричинило зовнішнє коротке замикання. Через кілька хвилин рюкзак почав диміти. На щастя, його вчасно виявили та загасили вогнегасником, запобігши тяжким наслідкам.

3. Надмірне заряджання та-розряджання: приховані небезпеки неправильних звичок заряджання

Перезаряд і-розряд — це перевищення номінальної ємності батареї під час заряджання або падіння нижче мінімальної безпечної ємності під час розряджання. Обидві ситуації пошкоджують структуру батареї та можуть призвести до перегріву.

Перезарядка особливо небезпечна. Коли батарея повністю заряджена, якщо заряджання продовжується, надмірна кількість іонів літію примусово впроваджується в графіт негативного електрода, що спричиняє руйнування та розрив шаруватої структури графіту. Одночасно надлишок іонів літію осідає металевий літій на поверхні негативного електрода, бурхливо реагуючи з електролітом і виділяючи велику кількість тепла. Крім того, надмірне заряджання може підвищити внутрішній тиск батареї, викликаючи усадку або навіть розрив сепаратора, що призводить до короткого замикання між позитивним і негативним електродами.

Основною причиною перезарядження є використання неякісних або несумісних зарядних пристроїв. Наприклад, використання зарядного пристрою з надмірно високим вихідним струмом для зарядки павербанка або використання неякісного зарядного пристрою без захисту від перезаряду. Деякі користувачі зазвичай заряджають свої павербанки протягом ночі. Незважаючи на те, що BMS законного блоку живлення відключатиме живлення, коли він повністю заряджений, несправна BMS або зарядний пристрій низької -якості може призвести до перезарядження.

Над-розрядження однаково небезпечно. Коли акумулятор пере-розряджається, кристалічна структура матеріалу позитивного електрода зазнає незворотного пошкодження, що призводить до зменшення ємності акумулятора та виділення великої кількості тепла та нестабільних речовин. Залишення зарядного пристрою повністю розрядженим і бездіяльним протягом тривалого часу може викликати ризик надмірної-розрядки.

4. Середовища з високою{1}}температурою: каталізатор прискореного ризику вибухів

Високі температури є «ворогом» літієвих акумуляторів, значно збільшуючи ймовірність перегріву. Висока-температура середовища прискорює внутрішні хімічні побічні реакції, знижує стабільність сепаратора та робить електроліт більш схильним до розкладання та утворення газу.

Висока-температура середовища є звичайним явищем у повсякденному житті: підвіконня під прямими сонячними променями влітку можуть нагріватися до 50 градусів; салон автомобіля, припаркованого на вулиці, може навіть перевищувати 60 градусів; розміщення павербанка поблизу джерел тепла, таких як радіатори або мікрохвильові печі, також призведе до підвищення його температури.

У -високотемпературному середовищі хімічні реакції всередині батареї значно прискорюються, а рух іонів літію стає надзвичайно інтенсивним, що легко призводить до зростання дендритів і пошкодження сепаратора. Одночасно горючість електроліту зростає з підвищенням температури, і він миттєво спалахне при контакті навіть із крихітною іскрою або високою температурою, спричиненою коротким замиканням.

Влітку 2024 року автовласник розмістив павербанк на приладовій панелі всередині свого авто. Після півдня перебування під прямими сонячними променями павербанк вибухнув, розбивши скло автомобіля. Тестування показало, що температура всередині автомобіля досягла 65 градусів, що значно перевищує безпечну робочу температуру акумулятора (зазвичай 0 градусів -45 градусів).

5. Повний процес ланцюгової реакції теплової втечі

Як тільки запускається теплова втеча, вона утворює незворотну ланцюгову реакцію. Весь процес можна розділити на чотири етапи:

Етап 1:Акумуляція тепла. Незалежно від того, внутрішнє коротке замикання, зовнішнє коротке замикання, перезаряд/-розряд або висока-температура середовища, все спричинить підвищення внутрішньої температури акумулятора. У цей час батарея може незначно перегріватися, вибухати тощо, що є попереджувальними ознаками перегріву.

Етап 2:Горіння електроліту. Коли температура досягає температури спалаху електроліту (зазвичай від 130 до 200 градусів), електроліт починає горіти, виділяючи велику кількість тепла та горючого газу. Температура батареї швидко перевищить 500 градусів.

Етап 3:Вибух тиску. Займистий газ постійно накопичується в герметичному корпусі акумулятора, і тиск продовжує зростати. Коли тиск перевищує межу допуску корпусу, корпус розривається, і газ миттєво викидається.

Етап 4:Дефлаграція та поширення. Коли викинутий горючий газ ретельно змішується з повітрям, він різко вибухне під впливом високих температур усередині батареї або відкритого полум’я, утворюючи велику кількість диму та полум’я. Температура полум'я може досягати понад 1000 градусів, а під час процесу горіння виділяються токсичні гази, що робить його надзвичайно небезпечним.

Ризики, пов’язані з літієвими акумуляторами, неминучі. Освоївши наукові методи використання, ці ризики можна ефективно зменшити. Від вибору та використання до зберігання та обслуговування, кожен крок має чіткі межі безпеки. Дотримання цих меж гарантує, що павербанк залишається безпечним «енергетичним блоком».

1. Вибір: Усунення ризиків у джерела

Вибір є першим і найважливішим кроком для безпечного використання. Неякісні павербанки таять у собі загрозу безпеці з самого початку їх виробництва.

• Шукайте сертифікацію 3C. 3Сертифікація C є обов’язковою сертифікацією продукту в Китаї. Як електротехнічні вироби, для продажу на ринку павербанки повинні пройти сертифікацію 3C. Під час покупки перевірте наявність чіткого та дійсного знака сертифікації 3C на корпусі павербанка. Знак повинен містити номер сертифікації, інформацію про виробника тощо. Ніколи не купуйте продукти без позначки 3C, з розмитою позначкою або ті, що були відкликані.
• Вибирайте авторитетні бренди. Надавайте перевагу купівлі павербанків від-відомих брендів, таких як Huawei, Xiaomi, Apple і Ugreen, оскільки ці бренди мають більш стандартизовані виробничі процеси. Також надавайте перевагу купівлі павербанків із використанням батарей від провідних компаній, таких як ATI, EVE Energy, Changhong Energy та Zijian Electronics, оскільки ці виробники суворо контролюють якість сировини та оснащують свої продукти комплексними системами BMS. Уникайте придбання продуктів типу «три-ні» (продукти без назви виробника, адреси чи дати виробництва), оскільки вони зазвичай дешеві, використовують батареї нижчої якості та елементарні виробничі процеси та не пропонують жодних гарантій безпеки.

• Зверніть увагу на потужність і характеристики. Виберіть павербанк з ємністю, яка відповідає вашим потребам. Як правило, зарядного пристрою ємністю 10000-20000 мАг достатньо для щоденних подорожей. Також перевірте технічні характеристики виробу, щоб переконатися, що вихідна напруга та струм відповідають вашим електронним пристроям, щоб уникнути відхилень у зарядці через невідповідності.

• Огляньте зовнішній вигляд і якість виготовлення. При покупці уважно перевірте, чи гладкий і чи не пошкоджений корпус павербанка, чи надійні та не розхитані інтерфейси, чи чуйні кнопки. Якщо на корпусі є явні задирки, щілини або нещільні контакти, це вказує на погану якість виготовлення та не рекомендовано до покупки.

2. Використання: розвивайте хороші звички

Правильні звички використання є ключовими для уникнення ризиків. Багато нещасних випадків викликано неналежним використанням.

• Використовуйте оригінальні або кваліфіковані аксесуари. Під час заряджання використовуйте оригінальний зарядний пристрій і кабель для передачі даних від павербанка або вибирайте аксесуари від авторитетних брендів, які відповідають характеристикам павербанка. Уникайте використання неякісних кабелів передачі даних або універсальних зарядних пристроїв, оскільки вони можуть мати нестабільний струм або пошкоджену ізоляцію, що легко призведе до перезарядження або короткого замикання.

• Уникайте надмірного заряджання та-розряджання. Не заряджайте павербанк на ніч. Рекомендується вимкнути джерело живлення відразу після повного заряду батареї. Під час щоденного використання не чекайте, поки зарядний пристрій повністю розрядиться, перш ніж заряджати його. Рекомендується заряджати, коли рівень заряду батареї становить від 20% до 30%, щоб уникнути надмірного-розряду.

• Тримайтеся подалі від екстремальних умов. Уникайте використання зарядного пристрою за високої-температури, низької-температури або вологого середовища. Не використовуйте та не заряджайте його під прямими сонячними променями, у гарячих автомобілях або у ванних кімнатах. У середовищі з низькою-температурою ємність акумулятора зменшується; не примусово заряджайте в таких умовах, щоб не пошкодити батарею.

• Запобігайте фізичним пошкодженням. Під час використання уникайте фізичного пошкодження павербанка, наприклад падіння, стиснення, проколу або згинання. Не ставте павербанк під важкі предмети, не розбирайте його та не проколюйте корпус павербанка гострими предметами.

• Швидко вирішуйте нестандартні ситуації. Якщо під час використання ви помітили, що павербанк нагрівається, здувається, димить або виділяє незвичайний запах, негайно припиніть його використовувати, від’єднайте від розетки та помістіть у відкрите незаймисте місце для природного охолодження. Не використовуйте його знову.

3. Зберігання та технічне обслуговування: подовження терміну служби + зменшення ризику

Правильне зберігання та технічне обслуговування не тільки подовжують термін служби павербанка, але й додатково знижують ризики для безпеки.

• Підтримуйте належне середовище зберігання. Повербанки, які не використовуються протягом тривалого часу, повинні зберігатися в сухому, провітрюваному та прохолодному місці з температурою від 10 до 30 градусів. Не зберігайте павербанки разом із легкозаймистими, вибухонебезпечними або металевими предметами, щоб уникнути короткого замикання або пожежі.

• Регулярно заряджайте павербанк. Якщо павербанк не використовується протягом тривалого часу, рекомендується поповнювати заряд кожні 1-2 місяці, підтримуючи його на рівні 50%-70%. Це ефективно захищає акумулятор і запобігає надмірному розряду, який може його пошкодити.

• Регулярно перевіряйте його стан. Регулярно перевіряйте зовнішній вигляд павербанка, порти та кабелі. Якщо ви виявите будь-які пошкодження корпусу, незакріплені порти або старі кабелі, негайно припиніть використання та зверніться до виробника для ремонту або заміни.

• Не модифікуйте його самостійно. Ніколи не розбирайте та не модифікуйте павербанк для досягнення більшої ємності або швидшої швидкості заряджання. Зміни призведуть до пошкодження конструкції батареї та BMS, значно підвищуючи ризики безпеки.

Винахід літієвих батарейних блоків живлення значно полегшив наше життя, позбавивши нас від тривоги про розрядження під час подорожей, роботи чи навчання. Однак за цією зручністю стоїть глибока повага до кордонів безпеки. Це і «джерело енергії» в наших руках, і потенційна «порохова бочка». Ключ полягає в тому, чи можемо ми зрозуміти його протоколи безпеки та дотримуватися меж безпеки його використання.

ACEY-MLW-200TМашина для лазерного точкового зварюваннязастосування зварювання вкладок для блоків живлення та мобільних блоків живлення.

Зв'язатися зараз