При какой температуре горит литий

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).

Kак взрываются литий-ионные аккумуляторы

Последнее время тема самовозгорания литий-ионных аккумуляторов часто мелькает в заголовках новостей: то смартфон загорится, то ховерборд, а то и автомобиль. Так что же происходит внутри аккумулятора во время термического разгона и почему возникает самовозгорание?

Литий-ионные аккумуляторы состоят из анода и катода, разделённых пористым полимерным сепаратором. Активным материалом катода чаще всего являются оксиды переходных металлов со встроенными в кристалл ионами лития. В аноде обычно используется графит. Электролит, которым залита электрохимическая ячейка, представляет собой органический раствор солей лития. При первой зарядке, производимой фирмой-изготовителем, при встраивании лития в анод на электродах (особенно на аноде) образуется защитный ион-проводящий слой (SEI), состоящий из разложившегося электролита. Этот слой защищает электроды от паразитических реакций с электролитом.

Чаще всего причиной самовозгорания аккумуляторов является короткое замыкание внутри электрохимической ячейки. Электрический контакт между анодом и катодом может возникнуть по многим причинам. Это может быть, например, механическое повреждение ячейки. Ещё внутреннее короткое замыкание возникает из-за нарушения технологии производства при неровной нарезке электродов или попадании металлических частиц между анодом и катодом, что ведёт ко повреждению пористого сепаратора. Также причиной внутреннего короткого замыкания может быть «прорастание» цепочек металлического лития (дендритов) через сепаратор. Такой эффект возникает, если ионы лития не успевают встроиться в кристалл анода при слишком быстрой зарядке или низкой температуре, а также если ёмкость активного материала катода превышает ёмкость анода, в результате чего на поверхности анода появляются микроскопические отложения, которые постепенно растут.

Итак, после того, как произошло короткое замыкание, аккумулятор начинает нагреваться. Когда температура достигает 70-90 °C, ион-проводящий защитный слой на аноде начинает разлагаться. А дальше литий, встроенный в анод, вступает в реакцию с электролитом, выделяя летучие углеводороды: этан, метан, этилен и т.д. Но, несмотря на наличие такой взрывоопасной смеси, возгорания не происходит, так как в системе пока нет кислорода.

Так как реакции с электролитом экзотермические, температура и давление внутри аккумулятора продолжают повышаться. Когда температура достигает 180-200 °C, материал катода, обычно представляющий из себя оксид переходных металлов со встроенным в кристалл литием, вступает в реакцию диспропорционирования и выделяет кислород. Вот тут-то и происходит самовозгорание и ещё более резкий скачок температуры. Параллельно идёт термическое разложение электролита (200-300 °C), также выделяющее тепло. Выглядит это так:

И, в конце концов, в реакцию с электролитом (если он ещё остался) вступает графит, а когда температура достигает 660 °C, плавится алюминиевый токоприёмник. Выше 900°C температура обычно не поднимается, так как разлагаться уже нечему.

Помимо внутреннего короткого замыкания существуют и другие причины самовозгорания: перегрев аккумулятора, неправильная зарядка/разрядка (превышение максимально допустимого напряжения, зарядка на высоких токах, слишком глубокая разрядка), и т.д. Но все эти причины приводят к одному результату: термическому разгону и разложению электролита при взаимодействии с электродами. Различаются только порядки вышеописанных реакций и их скорость.

Естественно, производители аккумуляторов предусмотрели системы защиты от самовозгорания, и чем больше и мощнее аккумулятор, тем больше степеней защиты он содержит. Одним из видов защиты от небольшого короткого замыкания является пористый сепаратор, который при локальном повышении температуры становится непроницаемым и препятствует, к примеру, дальнейшему росту дендритов внутри аккумулятора. Но иногда температура повышается слишком быстро, и сепаратор просто плавится, в результате чего анод соприкасается с катодом.

Также аккумуляторы оборудованы предохранителями и клапанами, которые при повышении давления и температуры внутри либо отключают электроды от цепи, либо способствуют выходу наружу скопившегося газа. В последнем случае, так как газы легковоспламеняющиеся, при контакте с кислородом снаружи возникает пламя. Пример действия защитных клапанов можно было наблюдать при аварии с участием автомобиля Тесла Model S, где аккумулятор был пробит крупным металлическим предметом. Так как в Тесле клапаны аккумуляторов были направлены вниз на асфальт и отдельные блоки были хорошо изолированы друг от друга, сгорела лишь передняя часть аккумулятора (как сказал Элон Маск, если бы тот же металлический предмет пробил бак с бензином, машины бы сгорела целиком).

Кстати, термическая изоляция отдельных блоков в крупном аккумуляторе очень важна. Если в вышеупомянутом примере аккумулятор Теслы не загорелся полностью из-за хорошей термоизоляции, то в случае аккумулятора на борту Боинга 787 самовозгорание произошло из-за того, что блоки были недостаточно изолированы друг от друга, что привело к перегреву всей системы.

Также литий-ионные аккумуляторы оснащены контроллерами, сенсорами, балансирами заряда, и т.д. Подробнее про системы безопасности аккумуляторов можно почитать тут.

Как видно из этого поста, самый опасный компонент аккумулятора- электролит, который разлагается на легковоспламеняющиеся компоненты при повышении температуры. На сегодняшний день учёные пытаются найти более стабильные альтернативы: ионные жидкости, полимерные электролиты, твёрдотельные керамические электролиты и т.д. Но это-отдельная тема…

Влияние температуры на производительность и безопасность 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.

Артикул: 2559

Артикул: 2560

Артикул: 2758

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

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

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.

Отдел противопожарной профилактики предупреждает!

В связи с частыми случаями взрывов смартфонов, других гаджетов и устройств предлагаем внимательно изучить данную информацию. Во избежание несчастного случая при пользовании устройствами, следуйте нашим инструкциям!

Почему взрываются аккумуляторы мобильных устройств?

Часто смартфоны взрываются при использовании неоригинального зарядного устройства или неоригинального кабеля. Обычная зарядка выдает напряжение 5В и ток до 2А. Сила тока в конкретный момент времени определяется контроллером заряда, входящим в чипсет смартфона. В батарее литий-ионного типа обычно имеется еще и свой собственный контроллер, который защищает самого аккумулятора от перезаряда и от глубокого разряда: и то, и другое губительно для литий-ионного аккумулятора. Быстрая зарядка использует повышенное напряжение (9 В и 2 А, или 9 В и 1,67 А, или в ряде случаев 12 В), именно напряжение, а не силу тока (иначе потребуется гораздо более толстый провод).

За август 2016 года в странах, где Galaxy Note 7 поступил в продажу раньше других, взорвалось 35 смартфонов. В случае с Galaxy Note 7 по каким-то причинам сначала выходил из строя контроллер зарядки в смартфоне, после чего на аккумулятор поступал слишком большой зарядный ток. При этом во взорвавшихся батареях (все случаи взрывов связаны с устройствами из ранних партий) встроенного контроллера, не было. Зарядка слишком большим током приводит к перегреву батареи, что включает цепную реакцию: электролит вскипает с выделением большого количества газа, давление внутри герметичного корпуса батареи за доли секунды вырастает в несколько раз, после чего корпус взрывается и раскаленные газы под давлением вырываются наружу, а части конструкции батареи или самого телефона превращаются в поражающие элементы – получается своего рода осколочно-фугасная бомба.

Чем опасен взрыв аккумулятора?

Взрыв литиевого аккумулятора чрезвычайно опасен.

Во-первых, литий горит с температурой 1339 градусов, этого достаточно, чтобы прожечь даже бетон. При этом во время взрыва огненные капли могут разбрызгиваться в разные стороны, что приводит к серьезным пожарам и ожогам.

Во-вторых, взрыв может произойти во время разговора по телефону, в этом случае возможны тяжелые травмы и смерть. Так, в 2007 году у жителя Китая осколки взорвавшегося телефона Motorola пронзили сердце, а в Корее в том же году взорвавшийся телефон LG разорвал легкие и сломал позвоночник, что тоже привело к смерти человека. Известны также случаи смерти от разрыва шейной артерии, невосполнимой потери конечностей и т.п. В 2009 году в Экс-ан-Провансе (Франция) iPhone взорвался в руках у юноши. У него был выбит левый глаз. Пострадавший получил многочисленные ожоги и был доставлен в госпиталь в шоковом состоянии. В 2014 г. похожий случай произошел в Казахстане: у девочки в кармане взорвалась батарея смартфона Samsung Galaxy S2, на ребенке загорелись джинсы, в результате – серьезный ожог ноги.

Как избежать взрыва аккумулятора телефона

Соблюдайте следующие правила эксплуатации:

• заряжайте АКБ только от штатного зарядного устройства;
• не оставляйте устройство, находящееся на зарядке, без присмотра;
• не проводите зарядку батареи и не храните ее под прямыми солнечными лучами, в помещениях с высокой температурой. Старайтесь вообще не перегревать батарею;
• не допускайте повреждения, деформации, ударов аккумулятора;
• не разговаривайте по телефону во время его зарядки;
• не разбирайте аккумуляторную батарею: литий очень активен и АКБ может воспламениться прямо у вас в руках;
• старайтесь не передерживать аккумулятор на зарядке. Конечно, контроллер отключает аккумуляторпри достижении заряда или перегрева. Но если что-то не сработает, может произойти перегрев и взрыв. Поэтому отключайте АКБ сразу после набора полной емкости;
• носите смартфон в сумке, разговаривайте по нему через беспроводную гарнитуру.