В 1991 году компания Sony первой выпустила на рынок литий-ионные аккумуляторы – и с тех пор они получили широкое распространение и окружают нас повсюду. Например, их можно найти в большинстве портативных электронных устройств, начиная от ноутбуков и мобильных телефонов и заканчивая игрушками и электрическими зубными щетками.

Литий-ионные аккумуляторы играют ключевую роль в развитии электрического транспорта, что особенно заметно по стремительному росту популярности электросамокатов и электробусов. Кроме того, их используют в системах накопления энергии для жилых и коммерческих помещений, что помогает стабилизировать неравномерную выработку возобновляемой энергии в электросетях.

Экспоненциальный рост использования этого типа аккумуляторов хорошо иллюстрирует график: по прогнозам Института McKinsey, с 2022 по 2030 год мировой спрос на литий-ионные аккумуляторы увеличится почти в семь раз, достигнув 4,7 тераватт-часов к 2030 году. Основную часть этого роста можно связать с увеличением числа электромобилей, в которых преимущественно используются литий-ионные аккумуляторы.

При таком быстром росте неудивительно, что время от времени происходят сбои, и устройства на аккумуляторном питании выходят из строя. Только Комиссия по безопасности потребительских товаров США за последние пять лет зарегистрировала как минимум 25 000 случаев перегрева или возгорания литий-ионных элементов питания.

Исследования ученых из Университета Ньюкасла показывают, что в крупных системах накопления энергии на литий-ионных аккумуляторах за последние годы произошло более 40 возгораний. В Эстонии за полтора года зарегистрировано около 40 пожаров, начавшихся из-за аккумуляторных батарей, зарядных устройств, самокатов, мобильных телефонов, батарей или ноутбуков.

Оставляя в стороне аспекты, связанные с экологией, логистикой и бизнесом, в статье я сосредотачиваюсь на вопросах безопасности и снижении рисков, связанных с растущей ролью литий-ионных аккумуляторов в повседневной жизни. Несмотря на обилие новостей о несчастных случаях, до сих пор остается неясным, как снизить вероятность их возникновения. Важно отметить, что существует несколько типов литий-ионных аккумуляторов, и некоторые из их более склонны к возгоранию, чем другие.

В статье я объясняю основы этой технологии и провожу краткий анализ ее основных применений и рисков — от бытовой электроники и личных средств передвижения до крупных систем хранения энергии.

Как устроены литий-ионные аккумуляторы

Традиционные свинцово-кислотные батареи десятилетиями доминировали на рынке аккумуляторных накопителей. Современные элементы питания, основанные на новых технологиях, смогли вытеснить их по нескольким причинам. По сравнению со свинцово-кислотными, литий-ионные аккумуляторы заряжаются быстрее и способны хранить больше энергии на единицу веса.

В то же время, если энергии много, то в случае неисправности ее высвобождение может привести к возгоранию. Это, в свою очередь, может привести к взрывам, которые представляют опасность как для людей, так и для их имущества. Чтобы понять причины возгораний литий-ионных аккумуляторов, важно разобраться в основных процессах, происходящих внутри них.

Батарея содержит накапливающие энергию химисеские вещества вещества, а также изолятор между положительным и отрицательным электродами. Оба электрода окружены электролитом, позволяющим электрическому заряду перемещаться между контактами. В литий-ионных аккумуляторах переносчиками заряда выступают ионы лития. По сути, литий-ионные аккумуляторы работают за счет перемещения ионов лития и электронов между положительными и отрицательными электродами через изолятор и внешнюю цепь. Это создает электрический ток, который можно использовать для питания электронных устройств.

В зависимости от конструкции аккумуляторы могут содержать десятки или тысячи отдельных элементов. Они собираются в комплекты, называемые модулями, которые, в свою очередь, объединяются в блоки. Например, средний электромобиль обычно работает на одном большом аккумуляторе, который включает от 5000 до 9000 элементов.

Обычно возгорание аккумулятора начинается с одного из элементов в составе большого аккумулятора. Существует три основных причины воспламенения: механическое повреждение, при котором аккумулятор был сдавлен или проколот; короткое замыкание внутри или снаружи устройства; или перегрев.

Короткое замыкание внутри аккумулятора чаще всего связано с неправильным использованием или нежелательными химическими реакциями в элементе. Например, если литий-ионные аккумуляторы заряжаются слишком быстро, химические реакции могут вызвать образование на аноде — отрицательном электроде аккумулятора — очень острых литиевых игл, называемых дендритами. Они могут проникнуть через изолятор и достичь другого электрода, вызвав внутреннее короткое замыкание.

В результате температура элемента поднимается выше 100 °C. Сначала она растет медленно, но потом резко ускоряется – и примерно за секунду аккумулятор достигает максимальной температуры, что приводит к воспламенению. Химические вещества, содержащиеся в аккумуляторе, могут усилить риск пожара. Электролит, состоящий из летучих органических растворителей, смешанных с солями лития, по своей природе очень пожароопасен. Поскольку катод изготовлен из соединения литиевого оксида, при возгорании аккумулятора может выделяться кислород, который разжигает пламя.

Важную роль в обеспечении безопасной работы литий-ионного аккумулятора играет система управления. Она основана на встроенных аппаратных и программных элементах, которые способны отслеживать важные параметры, такие как уровень заряда, внутреннее давление и температура элементов. Это надежные системы, обеспечивающие безопасную работу аккумулятора в стандартных условиях.

Как уже упоминалось, система управления может не справиться с задачей при внешнем повреждении или высоких температурах. Для решения этой проблемы ученые разрабатывают новые катоды, которые при разрушении выделяют меньше кислорода. В стадии разработки находятся также негорючие электролиты, твёрдотельные электролиты, которые не воспламеняются и уменьшают рост дендритов, а также изоляторы, устойчивые к высоким температурам без плавления.

Бытовая электроника

Большинство людей всегда носит с собой или имеет поблизости хотя бы одно устройство с литий-ионным аккумулятором. Для питания самых маленьких из них достаточно батареи с одним элементом и номинальным напряжением 3,7 вольта, тогда как напряжение аккумуляторов для электроинструментов может достигать 48–51,2 вольта. Поскольку таких устройств в повседневном использовании огромное количество и инциденты с ними случаются редко, их можно считать относительно безопасными.

Но время от времени серьезные происшествия все же происходят. Например, с 2016 года на рейсах запрещено оставлять внешние аккумуляторы в сдаваемом багаже, а в ручной клади их емкость не должна превышать 100 Вт/ч. Более строгие правила были введены в основном из-за инцидентов со смартфоном Samsung Galaxy Note 7, батарея которого перегревалась и воспламенялась. В последнее время контроль за допустимой ёмкостью переносимых аккумуляторов еще больше ужесточился.

Личные электротранспортные средства

Элементы питания электрических велосипедов и самокатов могут быть примерно в 50 раз больше, чем у смартфонов, и в случае возгорания представляют гораздо большую опасность. Количество пожаров, связанных с литий-ионными аккумуляторами, растет в международном масштабе с огромной скоростью. Во многом это связано с ростом продаж личных средств передвижения.

Некоторые инциденты были связаны с качеством производства. Это чаще касается случаев, когда использовались устройства, произведенные без сертификации и должного контроля. Однако чаще всего проблемы возникают из-за действий пользователей, например, при использовании поврежденного транспортного средства, несовместимого зарядного устройства, хранении в жарком месте или самостоятельных модификациях устройства.

Особенно опасны возгорания электросамокатов в помещениях. Большой объем высвобождающейся энергии усложняет борьбу с огнем и может привести к серьезным повреждениям. Кроме того, пожар может распространиться по зданию и причинить значительный ущерб. Часто такие возгорания случаются, когда электросамокат оставляют подключенным к зарядному устройству на длительное время. Поэтому важно не оставлять такие устройства без присмотра во время зарядки.

Для СМИ и публики самовоспламенившийся аккумулятор — достаточно ценная новость, так что один пожар может быстро стать интернет-сенсацией. В итоге создается впечатление, что возгорания аккумуляторов — явление частое и обычное. Но на самом деле это не так.

Распространяемые в интернете видео показывают единичные случаи. По статистике, пожары, вызванные самокатами, случаются довольно редко, так как большинство устройств оснащено системами управления аккумулятором. Загореться может примерно один элемент питания на каждые десять миллионов.

Электротранспорт

Элементы питания для электромобилей составляют крупнейшую часть мирового потребления литий-ионных аккумуляторов. На этот сектор в прошлом году пришлось 80% мирового спроса на литий-содержащие батареи. С 2020 года этот показатель вырос в 4,5 раза. Хотя рост значителен, прогнозируется, что к 2030 году он увеличится еще в четыре раза. К тому времени электромобили могут составить 40% от общего объема продаж автомобилей по всему миру.

Согласно прогнозам, к 2030 году ежегодно будет продаваться около 40 миллионов электромобилей и дополнительно 20 миллионов гибридных автомобилей. В свете такого роста неудивительно, что инциденты с возгораниями случаются чаще, привлекая повышенное внимание средств массовой информации.

Причиной возгорания аккумулятора автомобиля чаще всего становятся повреждения в результате серьезных ДТП. Как и в других случаях, разрушенные элементы начинают нагреваться в результате химических реакций, и огонь может быстро распространиться по всему транспортному средству.

Для человека, читающего такие новости, ситуация может показаться достаточно пугающей, чтобы предпочесть автомобиль с двигателем внутреннего сгорания вместо электромобиля. Однако статистика Шведского агентства по чрезвычайным ситуациям (MSB) показывает иную картину: электромобили загораются более чем в 20 раз реже, чем машины на бензиновом или дизельном топливе. Данные, собранные в Австралии, показали еще больший разрыв — электромобили загораются более чем в 80 раз реже. Аналогичная статистика была опубликована в Эстонии: в 2023 году произошло 176 зарегистрированных возгораний транспортных средств, из которых только два были связаны с электромобилями.

Очевидно, что по мере старения парка электромобилей данные могут несколько меняться. Однако ясно одно: для тушения возгорания электромобиля требуются иные методы. Из-за специфических свойств аккумулятора такие пожары довольно трудно потушить, и необходимо соблюдать особую осторожность. Тушение может потребовать большого количества воды, и даже в этом случае остается риск повторного возгорания, которое может произойти через несколько дней. Для снижения этого риска электромобили погружаются в воду, пока угроза полностью не будет устранена. Понятно, что вероятность восстановления электромобиля после этого стремится к нулю.

Стационарные системы накопления энергии

Развитие технологии литий-ионных аккумуляторов и снижение их стоимости благодаря расширению производства сделали их популярным решением не только в электронике и транспорте, но и в стационарных системах.

Чаще всего их используют вместе с солнечными панелями и ветрогенераторами. Благодаря высокой эффективности такие накопители могут служить буфером, позволяя увеличить потребление возобновляемой энергии на месте. Большая гибкость, которую предлагают такие системы, помогает решать проблемы электросетей. 

В последние годы аккумуляторные накопители широко внедряются и в жилом секторе. Например, к концу 2023 года в Германии было установлено более миллиона систем накопления, связанных с солнечными батареями. Их общая ёмкость составляет около 12 гигаватт-часов, что примерно соответствует среднесуточному потреблению электроэнергии полутора миллионов домохозяйств, состоящих из двух человек.

Данных о происшествиях с такими системами пока немного. Хотя сообщения о возгораниях аккумуляторов есть, они все же крайне редки с учетом общего числа установленных систем.

Это частично объясняется химическим составом таких батарей. В отличие от мобильных устройств, стационарные аккумуляторы обычно основаны на несколько иной литий-ионной химии. Они значительно менее склонны к возгоранию и считаются самыми безопасными среди всех типов накопителей на основе лития.

Их недостаток в том, что такие аккумуляторы способны накапливать несколько меньше энергии на единицу объема по сравнению с другими типами, что, впрочем, не столь критично для стационарных систем. Еще одной причиной может быть меньший человеческий фактор — обычно стационарные батареи устанавливаются профессионалами с соблюдением всех правил безопасности и монтажа.

Одним из самых обсуждаемых инцидентов стал случай, когда в 2020 году компания LG отозвала по всему миру около 18 000 аккумуляторов из-за технических неисправностей, угрозы перегрева и возгорания.

Некоторые страны уже готовятся к будущему и вводят специальные стандарты пожарной безопасности для стационарных аккумуляторов. Например, в Великобритании их запрещено устанавливать в спальне. Также необходимо добавлять предупреждающую табличку, которая четко указывает на наличие в здании как системы накопления энергии от аккумулятора, так и солнечной энергосистемы.

Заключение

Литий-ионные аккумуляторы нашли широкое применение — от наушников с малой мощностью до крупногабаритного оборудования мощностью в мегаватты. В транспортном секторе они изменили правила игры, позволив электромобилям наконец конкурировать с автомобилями на двигателях внутреннего сгорания.

При столь широком распространении этой технологии понятно, что случаи поломок устройств случаются чаще. Иногда последствия бывают довольно драматичными, и происшествия привлекают много внимания, за чем следуют жаркие обсуждения.

По статистике, вероятность поломок, приводящих к возгораниям, очень мала. Однако это не значит, что можно игнорировать меры безопасности. Особенно это касается устройств с более высокой мощностью, таких как электросамокаты и другие индивидуальные средства передвижения. Процесс их зарядки можно сравнить с огнем в камине: это хорошо и безопасно, если всё под контролем, но недостаточно безопасно, чтобы уходить из дома и оставить его без присмотра.

Хотя о мерах предосторожности говорится немало, напомнить их никогда не будет лишним:

• Используйте только оригинальные или сертифицированные устройства;
• Не оставляйте зарядное устройство подключенным к розетке без аккумулятора;
• Контролируйте процесс зарядки, особенно для мощных устройств в помещениях;
• Следите за температурой аккумулятора и зарядного устройства во время зарядки и обеспечьте вентиляцию;
• Обращайте внимание на физические повреждения аккумулятора или зарядного устройства, протечки, деформации, необычный запах или шум.