АНАЛИЗ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»
Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Елисеев Ю.Н., Мокряк А.В.
Как один из наиболее перспективных новых источников энергии, литий-ионный аккумулятор и связанные с ним проблемы пожарной безопасности вызвали большой исследовательский интерес. Литий-ионные аккумуляторные батареи содержат опасные материалы, такие как легковоспламеняющиеся растворители, которые могут привести к экзотермической реакции и, как следствие, повышению температуры выше предельно допустимой. Несмотря на защиту с помощью механизмов безопасности батарей, пожары являются относительно частым явлением. В данной статье рассматривается случаи возгорания литий-ионных аккумуляторных батарей и их причины.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Елисеев Ю.Н., Мокряк А.В.
Автономные источники питания постоянного тока для цифровых подстанций и транспорта
Перспективы создания эффективных систем постоянного тока производственных объектов на базе современных аккумуляторов
Цепочка добавленной стоимости при производстве батарей для электромобилей: есть ли ограничения со стороны предложения металлов?
Система контроля и управления высокомощных литий-ионных аккумуляторных батарей
Использование литий-ионных аккумуляторов в системах электрического освещения
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
FIRE HAZARD ANALYSIS OF LITHIUM-ION BATTERIES
As one of the most promising new energy sources, the lithium-ion battery and related fire safety issues have generated a great deal of research interest. Lithium-ion batteries contain dangerous materials, such as flammable solvents, which can lead to an exothermic reaction and, as a result, hang temperatures above the maximum permissible temperature. Despite being protected by battery safety mechanisms, fires are relatively common. This article discusses the cases of ignition of lithium-ion batteries and their causes.
Текст научной работы на тему «АНАЛИЗ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ»
АНАЛИЗ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ
Ю.Н. Елисеев, кандидат технических наук; А.В. Мокряк.
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Как один из наиболее перспективных новых источников энергии, литий-ионный аккумулятор и связанные с ним проблемы пожарной безопасности вызвали большой исследовательский интерес. Литий-ионные аккумуляторные батареи содержат опасные материалы, такие как легковоспламеняющиеся растворители, которые могут привести к экзотермической реакции и, как следствие, повышению температуры выше предельно допустимой. Несмотря на защиту с помощью механизмов безопасности батарей, пожары являются относительно частым явлением. В данной статье рассматривается случаи возгорания литий-ионных аккумуляторных батарей и их причины.
Ключевые слова: литий-ионные аккумуляторы, исследование, пожар, пожароопасность, тепловой разгон, короткое замыкание
FIRE HAZARD ANALYSIS OF LITHIUM-ION BATTERIES Yu.N. Eliseev; A.V. Mokryak.
Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
As one of the most promising new energy sources, the lithium-ion battery and related fire safety issues have generated a great deal of research interest. Lithium-ion batteries contain dangerous materials, such as flammable solvents, which can lead to an exothermic reaction and, as a result, hang temperatures above the maximum permissible temperature. Despite being protected by battery safety mechanisms, fires are relatively common. This article discusses the cases of ignition of lithium-ion batteries and their causes.
Keywords: Li-ion batteries, research, fire, fire hazard, thermal acceleration, short circuit
Аккумулятор представляет собой электрохимическое устройство, которое хранит энергию и выпускает ее в виде электричества. Литий-ионные аккумуляторы по праву можно назвать самыми распространенными в жизни человека в XXI в. Благодаря таким преимуществам, как длительный срок службы, габариты и вес, быстрая перезарядка, литий-ионные аккумуляторы можно встретить в портативных электронных устройствах -телефоны, ноутбуки, камеры и т.д. Также они встречаются в промышленных сферах -например, источники бесперебойного питания, охранные системы, силовые агрегаты, уличное освещение, медицинское оборудование. Литий-ионная аккумуляторные батареи могут обеспечить энергией электрические транспортные средства, благодаря высокой энергетической емкости [1, 2].
Однако литий-ионные аккумуляторы имеют недостаток — электролит может самонагреваться и батарея может перейти в тепловой разгон, то есть батарея воспламеняется, это приводит к быстрому повышению давления и температуры в ячейке. Тепловой разгон может произойти, когда батарея выходит из стабильного рабочего состояния в результате, например, короткого замыкания, перегрева, перезарядки или механического повреждения. В результате происходит выделение легковоспламеняющихся и токсичных газов. Утечка газа из литий-ионной аккумуляторной батареи является серьезной проблемой, поскольку выделяемые летучие органические вещества являются легковоспламеняющимися, а их выброс представляет собой угрозу, которая может вызвать взрыв и пожар [3, 4].
Электролит в батарейке, как правило, выполнен из растворов солей лития. Так при первой зарядке на заводе-изготовителе, в процессе интеграции лития в анод на электродах (в основном на аноде), образуется защитный ионопроводящий слой, образованный из разложившегося электролита. Сформированный барьер защищает электроды от недопустимых реакций с электролитом. При нормальном использовании температура батареи ниже 40 °С. Короткое замыкание в элементе запускает процесс нагрева аккумулятора и, когда температура достигает 70-90 °С, ионопроводящий защитный барьер начинает разрушаться на аноде. После этого литий, интегрированный в анод, запускает реакцию с электролитом, в результате этого процесса происходит выделение летучих газов: этана, метана, этилена и т.п. Кроме того, типичные компоненты батареи, например пластиковая упаковка, сепаратор и электролит, являются горючими. Таким образом, пожары, могут происходить в самых разных устройствах — от мобильных телефонов до самолетов [5].
В таблице перечислены несколько случаев взрывов и возгорания литий-ионных аккумуляторных батарей за последние годы, которые можно разделить на три основных типа: мобильный телефон, электромобили и самолеты.
Таблица. Отдельные случаи взрывов и возгорания литий-ионных аккумуляторных батарей в последние годы
Устройства № Дата Страна Случай
Мобильные телефоны 1 24.08.2016 Корея Взрыв и возгорание аккумулятора Note 7
2 18.09.2016 Китай Аккумулятор Note 7 взорвался и загорелся во время зарядки
3 10.10.2016 Китай Аккумулятор iPhone 7 взорвался, и пользователь получил ранения
4 14.10.2016 Китай Huawei P9 взорвался и загорелся во время зарядки
5 10.17.2016 Австралия В результате самовозгорания iPhone 7 произошло возгорание автомобиля
6 09.01.2018 Швейцария При замене взорвался аккумулятор iPhone в руках продавца в розничном магазине. Один человек получил ранения, семь человек были доставлены в больницу с отравлением
7 10.01.2018 Испания В процессе ремонта батарея мобильного телефона iPhone взорвалась, произошло возгорание
8 29.12.2018 Америка iPhone XS Max загорелся в кармане владельца
Электро мобили 1 01.01.2016 Норвегия Электромобиль Tesla Model S загорелась во время зарядки
2 14.05.2016 Китай Электроавтобус загорелся из-за короткого замыкания аккумуляторной батареи
3 07.09.2016 Нидерланды Электромобиль Tesla Model S врезался в дерево, из-за чего загорелся аккумулятор, в результате чего водитель погиб
4 15.01.2016 Китай Самовозгорание электроавтобуса во время движения
5 19.02.2017 Китай Электромобиль Tesla Model X загорелся после аварии
6 01.05.2017 Китай Самовозгорание электроавтобуса во время зарядки
7 24.03.2018 Америка Электромобиль Tesla Model S загорелся во время стационарного режима
8 21.05.2018 Китай Самовозгорание электроавтобуса во время движения
Устройства № Дата Страна Случай
1 03.09.2010 ОАЭ Boeing 787 потерпел крушение из-за самовозгорания груза (81 000 литий-ионных аккумуляторных батарей)
Самолеты 2 07.01.2013 Америка Взрыв литий-ионной аккумуляторной батареи в отсеке электрооборудования в задней части самолета Boeing 787
3 16.01.2013 Япония Аккумуляторная батарея загорелась во время полета Boeing 787
Что касается случаев взрывов и возгорания литий-ионных аккумуляторных батарей мобильных телефонов, то почти все производители сталкивались с такими инцидентами: Apple, Samsung и Huawei. Например, Samsung Note 7 был выпущен 3 августа 2016 г., а его первый взрыв был 24 августа 2016 г. В конце концов, количество взрывов вынудило Samsung отозвать все устройства Note 7 по всему миру 2 сентября 2016 г. Основная причина Note 7 была связана с неисправностью батареи, Samsung использовал чрезмерно тонкий сепаратор для увеличения плотности энергии батареи, что существенно увеличило вероятность короткого замыкания батареи [6].
Использование литий-ионных аккумуляторов в автомобильной промышленности предъявляет более высокие требования к аккумуляторам, поскольку они значительно больше и имеют более жесткие условия окружающей среды, например вибрацию, влажность, большие колебания температуры. Для электромобилей большинство случаев возгорания возникали в условиях сбоя зарядки, разрядки и самовозгорания, что впоследствии приводило к короткому замыканию батарей. Хотя частота взрывов и возгорания литий-ионных аккумуляторных батарей электромобилей составляет примерно 1/10 000, что значительно ниже, чем у традиционных транспортных средств (7,6/10 000), эта проблема все еще значительно мешает разработке электромобилей.
Случаи взрыва и пожара на самолетах обычно происходили из-за отказа электронного оборудования пассажиров, когда загоралась батарея, наполнялась дымом кабина и приводила к катастрофическим последствиям. Эти аварии вынудили бюро гражданской авиации по всему миру принять жесткие меры в отношении портативной электроники. Исследования показали, что взрывы и пожары батарей в самолетах, как правило, были результатом неисправности батарей, вибрации самолета, изменения давления и температуры, которые впоследствии вызывали короткое замыкание батарей [7, 8].
Общедоступной статистики по причине и количеству возгораний литий-ионных аккумуляторных батарей на данный момент не ведется, возможно, такую статистику ведут сами производители. Как показали результаты анализа общедоступных случаев, основной причиной возгорания литий-ионных аккумуляторных батарей является тепловой разгон в результате короткого замыкания и горючесть компонентов батареи, таких как электролит и сепаратор. Ведение такой статистики имело бы огромный интерес для пожарно-технического эксперта, который расследует причины пожара, связанные с возгоранием литий-ионных аккумуляторных батарей, так как там могли быть описаны условия окружающей среды (время года, температура), возраст аккумулятора, в какой момент произошло возгорание (в режиме зарядки, работы или покоя) и возможная причина.
1. ГОСТ Р МЭК 61960-2007. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и другие некислотные электролиты. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи литиевые для портативного применения. М.: Стандартинформ, 2008.
2. CEI/IEC 61960, First edition 2003-12. International Electrotechnical Commission, 3. rue de Varembé, PO Box 131, CH-1211 Geneva 20.
3. Плотников В.Г., Чешко И.Д., Кондратьев С.А. Пожарная опасность литий-ионных аккумуляторов и низковольтных источников питания на их основе // Расследования пожаров. 2014. Вып. 4. С. 53-58.
4. Поведение литий-ионного аккумулятора емкостью 150 Ач в экстремальных ситуациях / А.Н. Кожевников [и др.] // Электрохимическая энергетика. 2008. Т. 8. № 1. С. 46-50.
5. Румянцев А.М., Волжинская Е.Г., Жданов В.В. Поведение малогабаритных литий-ионных аккумуляторов в условиях перезаряда // Электрохимическая энергетика. 2007. Т. 7. № 2. С. 73-77.
6. Влияние эксплуатационных факторов на работу литий-ионного аккумулятора / М.А. Бураков [и др.] // Символ науки. 2019. № 7.
7. Advances in Lithium-Ion Batteries / Edited by W. A. Schalwijk van, B. Scrosati. N.Y.: Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2002.
8. Ohsaki T., Kishi T., Kuboki T., Takami N., Shimura N., Sato Y., Sekino M., Satoh A. // J. Power Sources. 2005. V. 146. P. 97.
1. GOST R MEK 61960-2007. Akkumulyatory i akkumulyatornye batarei, soderzhashchie shchelochnoj i drugie nekislotnye elektrolity. Akkumulyatory i akkumulyatornye batarei litievye dlya portativnogo primeneniya. M.: Standartinform, 2008.
2. CEI/IEC 61960, First edition 2003-12. International Electrotechnical Commission, 3. rue de Varembe, PO Box 131, CH-1211 Geneva 20.
3. Plotnikov V.G., Cheshko I.D., Kondrat’ev S.A. Pozharnaya opasnost’ litij-ionnyh akkumulyatorov i nizkovol’tnyh istochnikov pitaniya na ih osnove // Rassledovaniya pozharov. 2014. Vyp. 4. S. 53-58.
4. Povedenie litij-ionnogo akkumulyatora emkost’yu 150 Ach v ekstremal’nyh situaciyah / A.N. Kozhevnikov [i dr.] // Elektrohimicheskaya energetika. 2008. T. 8. № 1. S. 46-50.
5. Rumyancev A.M., Volzhinskaya E.G. Zhdanov V.V. Povedenie malogabaritnyh litij-ionnyh akkumulyatorov v usloviyah perezaryada // Elektrohimicheskaya energetika. 2007. T. 7. № 2. S. 73-77.
6. Vliyanie ekspluatacionnyh faktorov na rabotu litij-ionnogo akkumulyatora / M.A. Burakov [i dr.] // Simvol nauki. 2019. № 7.
7. Advances in Lithium-Ion Batteries / Edited by W. A. Schalwijk van, B. Scrosati. N.Y.: Kluwer Academic/Plenum Publishers, 2002.
8. Ohsaki T., Kishi T., Kuboki T., Takami N., Shimura N., Sato Y., Sekino M., Satoh A. // J. Power Sources. 2005. V. 146. P. 97.
Вред литиевых аккумуляторов
Литиевые аккумуляторные батареи — это самый востребованный автономный источник питания на данный момент. В то время, как свинцово-кислотные АКБ главным образом используются в качестве автомобильных, литиевые заняли все остальные ниши. Фонарик, смартфон, ноутбук, современные системы резервного электропитания и даже электрокары — практически все использует в качестве источника энергии литиевые аккумуляторные батареи.
Когда речь идет об электромобилях, то их называют экологичными, ведь они не выбрасывают вредные газы в процессе работы. На самом деле все не так идеально, как хотелось бы. Вред от производства литиевых аккумуляторов для одного электрокара, в соответствии некоторым исследованиям, сопоставим с тем, что выбрасывает в атмосферу обычный автомобиль на двигателе внутреннего сгорания в течение нескольких лет. Не в последнюю очередь это связано с тем, насколько много элементов питания используется в автомобиле.
Так ли силен вред литиевых аккумуляторов для окружающей среды и стоит ли человеку что-то с этим делать? Попробуем кратко рассмотреть данный вопрос.
Как аккумуляторы влияют на окружающую среду
Вред АКБ для экологии удобно рассматривать на примере электромобиля по нескольким причинам. Во-первых, в электрокаре используется огромное количество аккумуляторов. Куда показательнее влияние тысяч батарей, установленных в одном автомобиле, чем какой-нибудь отдельный аккумулятор в смартфоне. Во-вторых, пользу или вред «зеленых» технологий удобно рассматривать на фоне традиционных автомобилей. В-третьих, в электромобилях чаще всего используются наиболее распространенные модели литиевых аккумуляторов. К примеру, силовой блок Tesla model S состоит из более чем 7000 обычных аккумуляторов типоразмера 18650, а именно — Panasonic Li-ion NCR18650B.
Попробуем рассмотреть прямое и косвенное влияние литиевых АКБ на экологию и человека на примере автомобильной отрасли и докажем, что не все так однозначно. По крайней мере, при текущем уровне развития технологий.
Первым стоит рассмотреть вред от производства аккумуляторов. В первую очередь производство вредно для работников завода, где АКБ производится. В составе литиевых аккумуляторных батарей используется не один токсичный материал. Это, к примеру, кобальт, никель, бористый литий. Производство литий-ионных аккумуляторов является наиболее опасным, чем производство аккумуляторов других типов.
Далее начинается процесс эксплуатации аккумулятора. В процессе езды электромобиль не выделяет вредных газов, в отличие от ДВС, однако эти газы выделяет электростанция для производства электроэнергии. Так как наибольшая доля вырабатываемой энергии приходится на электростанции, сжигающие топливо (уголь, газ), то вред экологии можно назвать ощутимым. Тем не менее, даже при таком раскладе электромобиль будет по меньшей мере вдвое экологичнее. Это не в последнюю очередь связано с низким КПД двигателей внутреннего сгорания, который даже не достигает и 50%. Хотя, и у электрокаров КПД не идеальный, плюс аккумулятор подвержен саморазряду даже при отсутсвии нагрузки. Это как бензобак, который немного протекает. Энергетическая отрасль претерпевает серьезное развитие и все больший процент энергии вырабатывается за счет возобновляемых источников (солнце, ветер и вода). Вместе с этим, соответственно, снижается косвенный вред от эксплуатации аккумуляторов.
Наверное, наибольшей проблемой является конец жизненного цикла аккумулятора. Как уже упоминалось ранее, при производстве литиевых аккумуляторных батарей используются токсичные вещества, которые нельзя зарывать в землю. Токсичные элементы негативно влияют на почву и ее обновление, а также попадают в грунтовые воды.
Стоит также заметить, что аккумуляторы опасны не только для экологии, но и для человека. Существует множество случаев самовозгорания аккумуляторов, которые могут привести к пожару. Чаще всего воспламенение связано с резким повышением температуры из-за замыкания электродов. К сожалению, далеко не всегда замыкание происходит из-за физического воздействия на аккумулятор. Причиной тому может стать техническая недоработка (многим известен случай массового возгорания смартфонов Samsung Galaxy Note 7) или сложные внутренние процессы в ходе старения.
Что мы можем сделать
Только из-за одних лишь электромобилей производство литиевых аккумуляторов растет огромными темпами. Является ли это проблемой и может ли человек что-то с этим делать? Каждый может внести небольшой вклад, отдавая батареи на утилизацию. Даже если речь идет об обычных аккумуляторах. Это поможет снизить процент вредных веществ, попадающих в почву.
Если мыслить более глобально, что нужно двигаться в двух направлениях: развивать технологию утилизации, а также технологию производства. Благодаря совершенствованию технологий утилизации, возможно, получится добиться почти нулевого выброса вредных веществ в почву.
Самым глобальным способом снижения вреда экологии является изобретение новых технологий сохранения энергии, которые будут и эффективнее, и менее токсичны. Работы в этом направлении ведутся активнейшие. Изобретение нового вида аккумулятора может перевернуть не только автомобильную отрасль, но и сферу мобильной электроники.
Какой можно подвести итог? Литиевые аккумуляторные батареи, безусловно, в одних сферах деятельности незаменимы, а в других — хороший и относительно экологичный аналог традиционных технологий. К сожалению, развитие отрасли производства аккумуляторов идет куда медленнее, чем другие сферы деятельности. Остается надеяться, что бум электромобилей станет поводом для открытия новых более экологичных и эффективных способов хранения энергии.
Правда и мифы о литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторах
Рано или поздно каждый собственник складской техники сталкивается с тем, что ему нужно купить новый электропогрузчик или заменить на своём погрузчике отслужившую свой срок аккумуляторную батарею. Такая же задача может стоять и в отношении остальной складской техники — электротележек, штабелёров, комплектовщиков и т.д. Одной из важных задач в этом случае будет вопрос, какой тип аккумулятора выбрать? Поставщики тяговых батарей для напольного грузоподъемного транспорта предлагают как классические свинцово-кислотные аккумуляторы, так и необслуживаемые клапанно-регулируемые или гелевые батареи. Альтернативой свинцово-кислотным аккумулятором является более современный литий-ионный (литий-железо-фосфатный) источник питания. Правда многие потребители до сих пор опасаются данной технологии и по старинке используют аккумуляторы старого типа. Такой подход на наш взгляд может быть из-за недостатка информации о плюсах и минусах тяговых аккумуляторов различных типов. Ниже мы попытаемся развеять мифы о литий-ионных аккумуляторах.
Миф первый
Литий-ионные аккумуляторы не безопасны и лучше их не использовать в качестве источника питания электрического погрузчика, штабелёра, электротележки. Они могут взрываться, самовозгораться, поэтому лучше с ними не связываться
Трудно было бы с этим спорить, если бы мы были в 80-х годах прошлого века. Действительно первые образцы литий-ионных батарей не отличались высокой безопасностью. При работе такой батареи существовал риск короткого замыкания внутри элементов, нагрева и даже возгорания. Обычно это могло произойти в конце срока службы по причине низкой химической стабильности компонентов батареи.
В первых коммерческих литий-ионных батареях, выпущенных компанией Sony в 1991 году, металлический литий был заменен на более безопасную ионную форму. Однако даже после этого сфера использования данных аккумуляторов ограничивалась мелкой бытовой электроникой. Речи об использовании литий-ионных батарей в качестве источника питания складской техники тогда даже не было.
Ситуация кардинально изменилась в 1997 году, когда было изобретено новое соединение – литий-железо-фосфат (LiFePo4) в качестве катодного материала литий-ионных аккумуляторов. Это соединение является безопасным, и не содержит ядовитых веществ. Правда только в 2005-2006 годах ученым в США удалось окончательно доработать эту «химию», так чтобы стало возможным её коммерческое использование. В результате появились на свет литий-железо-фосфатные аккумуляторы с поистине революционными характеристиками в сравнении с обычными свинцово-кислотными батареями. Именно литий-железо-фосфатные батареи используются для питания электропогрузчиков и складской техники.
Кроме безопасного химического состава каждая литий-ионная тяговая батарея имеет блок управления (BMS), который управляет процессом заряда-разряда, защищает ячейки батареи от перезаряда и глубокого разряда. Даже если по какой-то причине BMS не отключит батарею в экстренной ситуации, то каждая ячейка имеет предохранительный клапан на случай перезаряда или короткого замыкания. Клапан сбросит внутреннее давление в ячейке в нештатной ситуации, чтобы избежать взрыва.
А как же относится к случаям возгорания и/или взрыва литий-ионных батарей смартфонов, планшетов, электронных сигарет и прочих девайсов, которые то и дело появляются в СМИ? К счастью эти аккумуляторы имеют мало общего с тяговыми батареями. В основном все эти случаи связаны с коротким замыканием внутри аккумулятора по причине физической деформации в результате ударов или других повреждений.
Миф второй
Я привык работать со свинцово-кислотными батареями и меня всё в них устраивает. Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков — это что-то из области фантастики и мне это не очень интересно
Разница между литий-ионными и свинцово-кислотными аккумуляторами примерно такая же, как между современной электричкой и паровозом. Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретён в 1859 году. Это даже не прошлый, а позапрошлый век. Широко известны главные недостатки этих аккумуляторов, от которых они никогда не избавятся.
Перечислим пять самых критичных:
- Во-первых, это использование в качестве электролита свинцово-кислотных аккумуляторов раствора серной кислоты. Отсюда едкий запах, взрывоопасное выделение газа при зарядке, необходимость доливки воды. Как результат нам нужно оборудовать зарядную комнату и нести затраты на обслуживание таких батарей.
- Во-вторых, риски значительного сокращения срока службы в силу небрежного отношения персонала. Срок службы может серьезно сократиться по причине отсутствия контроля за уровнем и плотностью электролита, хранения разряженной батареи, разрядов ниже допустимой глубины, нарушений температурного режима использования, не соблюдения полных циклов заряда-разряда. Другими словами свинцово-кислотный аккумулятор это довольно капризная вещь, требующая регулярного присмотра.
- В-третьих, длительное время зарядки. Чтобы полностью нормально зарядить классическую кислотную батарею с жидким электролитом необходимо как минимум 7,5-8 часов. Возможны более быстрые режимы зарядки, но это нельзя делать ежедневно. Для быстрой зарядки необходимы высокие токи, что сильно сокращает срок службы свинцово-кислотных батарей в силу особенности данной технологии.
- В-четвертых, для организации многосменной работы требуется не просто оборудовать зарядную комнату, но и иметь комплект из 2-х батарей на каждую единицу техники. Обычно тяговые кислотные батареи весят от нескольких сотен килограмм до 1 тонны и более. Поэтому необходимо ещё и оборудование для транспортировки и безопасной замены. Как правило это специальные рольганги, столы или кран-балки.
- В-пятых, низкий КПД. Свинцово-кислотные батареи только 80% потраченной на их зарядку энергии затем отдают на питание складской техники. Остальное улетучивается в виде тепла.
Давайте посмотрим сколь это в деньгах, к примеру, для ричтрака с кислотной батареей 48 В 750 Ач. Такая батарея за один цикл с учётом глубины разряда 80% отдает 48*750*80%/1000 = 28,8 кВт. За средний срок службы 5 лет при условии 1 цикла в день и 250 рабочих дней получится 28,8*250*5= 36 000 кВт. Но реально мы потратим на электричество на 20% больше, что составит при цене 0,15 евро/1 кВтч — 36 000*20%*0,15=1080 евро. Больше 1000 евро просто улетучится с каждой батареи. Это еще не при самом интенсивном режиме работы.
Всех этих недостатков лишены литий-железо-фосфатные батареи для питания напольного электрического транспорта. Они ничего не выделяют во время зарядки и разрядки, не требуют какого-либо обслуживания, сами автоматически выключаются, чтобы не допускать глубокого разряда и могут без ущерба сроку службы подвергаться любому количеству промежуточных зарядов. Время полной зарядки составляет как правило 1,5-2 часа. Можно использовать одну батарею для многосменной работы, если есть хотя бы небольшие перерывы для промежуточных зарядов. КПД литий-железо-фосфатных аккумуляторов составляет 96%, срок службы в среднем 3000-5000 циклов в зависимости от производителя.
Миф третий
Свинцово-кислотные батареи постоянно совершенствуются. Есть гелевые необслуживаемые батареи, для которых не требуется зарядная комната. Есть батареи типа HFC (Hawker NexSys), которые не выделяют газов при зарядке и могут подвергаться промежуточным зарядам
Действительно, такие батареи есть, но всё это похоже на попытки ехать на загнанной лошади. Сама свинцово-кислотная технология уже себя исчерпала. Никакие ухищрения производителей не позволят побороть основные её недостатки.
Клапанно-регулируемые батареи действительно почти не выделяют газов. Однако они являются условно не обслуживаемыми. Электролит в них представляет собой тот же раствор серной кислоты в связанном состоянии. Соответственно на эти батареи распространяются все те же недостатки свинцово-кислотных батарей, перечисленные выше, в том числе и необходимость отвода газов при зарядке. В руководстве по эксплуатации клапанно-регулируемых батарей указывается, что батареи в процессе зарядки выделяют крайне мало газов. Однако при их эксплуатации необходимо соблюдать те же требования безопасности, как и для батарей с жидким электролитом (Стандарт EN 50272-3/ IEC 62485_3 «Тяговые батареи для промышленных погрузчиков»). Другими словами, необходимо предусмотреть отвод газов.
Что касается стандартных гелевых батарей, то это самый неэффективный источник питания для электропогрузчиков и складской техники. Срок службы таких батарей составляет всего 1200 циклов при глубине разряда не более 60%. Для нормального режима заряда таких аккумуляторов можно использовать относительно небольшие токи заряда, обычно 0,25-0,3 С. Поэтому время полного заряда составляет обычно 10-12 часов, а у некоторых батарей 12-14 часов. По этой причине их невозможно использовать для многосменной работы. Не слишком любят такие батареи и эксплуатацию при низких температурах окружающей среды. Работа в условиях отрицательных температур значительно снижает полезную ёмкость гелевой батареи.
Миф четвёртый
Литий-ионные батареи для вилочных погрузчиков — это что-то диковинное. Их пока мало кто покупает
На самом деле рынок литий-ионных аккумуляторов для грузоподъемной складской техники бурно развивается как минимум последние пять-семь лет. Ведущие производители техники активно добавляют в свою производственную линейку модели техники с литий-ионными источниками питания.
Наша компания, как официальный дилер немецкого производителя STILL, не безуспешно предлагает купить погрузчики, штабелёры, электрические тележки с литий-ионным аккумулятором нашим постоянным клиентам в Минске и по всей территории Республики Беларусь. Благодаря нашей помощи в экономическом обосновании покупки литий-ионных батарей в последние годы практически каждая вторая единица техники поставляется нашим клиентам с современным источником питания.
Очень интересной тенденцией является еще и то, что в последние годы в литий-ионную технологию поверили даже производители традиционных свинцово-кислотных батарей. Если пять-семь лет назад они и слышать о литий-ионных батареях не хотели, то теперь сами их производят на ряду с традиционными свинцово-кислотными. Тенденция на наш взгляд такова, что в скором будущем литий-ионные батареи полностью вытеснят обычные свинцово-кислотные.
Миф пятый
Литий-ионные батареи слишком дорогие. Они в разы дороже свинцово-кислотных и нет смысла тратить на них деньги. Подождем пока они подешевеют
Конечно, подождать всегда можно. Действительно есть вероятность, что бурное развитие литий-ионной технологии приведёт к появлению новых игроков на рынке и цены могут пойти вниз. Но даже при нынешнем уровне цен стоит обратить внимание на данный тип аккумуляторов. Если смотреть не просто на покупную стоимость, а ещё учесть срок службы, то окажется, что во многих случаях «дешёвые» свинцово-кислотные батареи обходятся потребителю дороже, чем современные литий-ионные.
Возьмём к примеру ситуацию, когда предприятие имеет парк складской техники, но не имеет специальной комнаты для зарядки обычных свинцово-кислотных батарей. В таком случае приходится либо инвестировать в строительство зарядной, либо использовать гелевые батареи, которые почти не имеют газовыделения в процессе зарядки. Многие идут по второму варианту.
Теперь давайте сравним две простые цифры. Срок службы гелевой батареи любого премиального бренда при соблюдении всех условий эксплуатации составляет не более 1200 циклов заряда-разряда. При этом максимальная глубина разряда допускается не более 60%. Другими словами, если ваша батарея имеет номинальную емкость 100 Ач, то реально вы используете только 60Ач и можете «снять» с неё за весь срок службы 100 Ач х 60% х 1200 = 72 000 Ач. Срок службы такой же литий-железо-фосфатной батареи, собранной, к примеру, на ячейках Winston составляет 5000 циклов при допустимой глубине разряда 80%. Её ресурс составит 100 Aч х 80% х 5000 = 400 000 Ач.
Теперь попробуйте сопоставить стоимость той и другой батареи с учётом ресурса. Литий-ионная батарея заряжается за 2 часа, а не за 11-12 часов, как гелевая. Если сюда добавить более высокий КПД (96% у Li-Ion против 80% у гелевой), то выбор становится очевидным.
Подведем итог:
Литий-железо-фосфатные аккумуляторы для электрических вилочных погрузчиков и другой складской грузоподъёмной техники уверенно отвоёвывают позиции у традиционных свинцово-кислотных батарей. Свинцово-кислотные батареи никогда не избавятся от своих основных недостатков в силу особенностей данной устаревшей технологии. Единственное их преимущество — это низкая покупная стоимость.
При выборе типа аккумуляторов для складской техники мало учитывать только их покупную стоимость. Стоит сопоставить срок службы, допустимую глубину разряда, время полной зарядки, необходимость обслуживания и пр.
Безопасность
По статистике ГИБДД, за 2018 год в России произошло 168 тысяч дорожных происшествий, погибло 18 тысяч и ранено 215 тысяч человек. Шанс попасть в аварию есть у 0,1% россиян. Литиевые аккумуляторы являются условно опасными изделиями. Вероятность возгорания или взрыва качественного аккумулятора составляет 1 на 1 миллион (0,0001%). Это в 1000 раз меньше, чем вероятность попасть в автомобильную аварию и совсем не повод отказываться от использования мобильных устройств.
Покупая контрафактные аккумуляторы, вы подвергаете себя большему риску, по сравнению с неправильной эксплуатацией правильных аккумуляторов. Поддельные аккумуляторы составляют основную группу риска.
Несмотря на все усилия производителей, аккумуляторы вздуваются, возгораются, а иногда и взрываются. Что делается для обеспечения безопасности? Как обезопасить себя и свою семью от возгорания и взрыва аккумуляторов?
Обеспечение безопасности
Аккумуляторы имеют встроенную защиту от перезаряда, переразряда и короткого замыкания. Для производства, транспортировки и хранения аккумуляторов разработаны специальные регламенты по безопасности. Для ввоза и продажи в России аккумуляторы должны пройти обязательную сертификацию. А соблюдая правила безопасной эксплуатации аккумуляторов, вы понизите риск возгорания и взрыва самостоятельно.
Опасные тенденции
Безопасность с самого начала была главным недостатком литий-ионных аккумуляторов. В конце нулевых годов был сделан большой прогресс в вопросе безопасности: начато массовое использование алюминиевых корпусов элементов взамен стальных. Более гибкий алюминиевый корпус раздувается и лопается, а не взрывается с осколками. Причем взрываясь, имеет значительно меньшую ударную силу. Следующим этапом повышения безопасности должны были стать литий-полимерные аккумуляторы, корпус которых изготавливается из полимерной пленки. Но значительного улучшения безопасности не получилось. Дело в том, что литий-полимерные аккумуляторы с мягким корпусом более подвержены механическим воздействиям. При неосторожном нажатии, особенно в зоне контактов, может произойти сдвиг слоёв или разгерметизация. Конечно, литий-полимерные аккумуляторы не имеют такой взрывной силы, как литий-ионные аккумуляторы, но воспламенение аккумулятора не лучше взрыва! Ситуация обострилась тем, что для обеспечения стремительно растущего энергопотребления смартфонов, некоторые производители стали повышать не только ёмкость, но и внимание (!) напряжение. Увеличение ёмкости не улучшает безопасность, а повышение напряжения просто-напросто опасно. Осталось добавить, что популярные на сегодняшний день несъёмные аккумуляторы невозможно даже самостоятельно отсоединить от устройства в случае опасности. Спасибо компании Apple. К сожалению, вопрос безопасности далеко не первый в повестке дня и других компаний. Бездумная гонка за лидерство на рынке и капитализацию на бирже привела Самсунг к плачевным результатам (Samsung на коленях).
Черный кот в мешке
Несмотря на опасные тенденции, производители (сборщики) мобильных устройств развернули настоящую пропаганду оригинальных аккумуляторов, которых сами не производят, не поставляют, а что и поставляют, то по очень высокой цене! В таких условиях, рыночную нишу активно занимает «китайская подделка». Покупая такие «оригинальные аккумуляторы», вы покупаете «кота в мешке», совершенно не понимая, что находится под оригинальной наклейкой. Возможно, вам повезет, и аккумулятор будет работоспособным. Но сколько он проработает? А самое главное, насколько он безопасен?
Охота на ведьм
10 лет как компания Apple вышла на рынок мобильных телефонов, 10 лет как на аккумуляторы открыта «охота на ведьм». Конфликт встроен мастерски: частично ограничен провоз аккумуляторов. Транспортировка партий оформляется как опасный груз. Пассажирам запрещают сдавать аккумуляторы в багаж. При этом проносить в салон самолета можно. Заряжать и пользоваться на борту тоже можно. А в бизнес-классах устанавливаются розетки для ноутбуков. А разве не фотография возгорания ноутбука в аэропорту Лос-Анджелеса была приложена к первому циркуляру IATA (Международная ассоциация воздушного транспорта) по ограничению перевозки аккумуляторов? Догадайтесь с первого раза, властями какой страны были сделаны все фотографии? Абсолютно верно, весёлые картинки от US FAA (Федеральное управление гражданской авиации США) и US DOT (Министерство транспорта США). В статистике авиакатастроф 60% приходится на ошибки пилотирования. Отказ техники, погодные условия и терроризм — всё вместе 30% процентов. Оставшиеся 10% приходятся на ошибки диспетчеров, наземных служб, перегрузка, неправильная загрузка, столкновения с птицами, качество топлива, препятствия на взлетно-посадочной полосе, столкновение с другим самолетом и курение на борту. Где литиевые аккумуляторы?
Внимание, вопрос: поддельные аккумуляторы перевозятся как аккумуляторы или как что?
P.S.
В своем стремлении купить хороший аккумулятор многие покупатели попадаются на рекламу мошенников и покупают поддельные аккумуляторы. Проявите благоразумие — не финансируйте своим кошельком недобросовестных производителей и продавцов «оригинала». Это будет самым большим вкладом в обеспечение вашей собственной безопасности.
Часто задаваемые вопросы:
- Литиевые аккумуляторы могут самовозгореться и взорваться.
- Наибольшая опасность возникает при заряде.
- Аккумуляторы не детонируют.
- Не покупать подделку.
- Соблюдать правила безопасной эксплуатации.
- По общему правилу в багаже запрещено, в ручной клади разрешено.
- На всякий случай уточните перед поездкой правила провоза аккумуляторов в авиакомпании.