Введение
Развитие мобильных и стационарных приложений влечет за собой увеличение количества установок аккумуляторных систем, которые по своей физико-химической природе являются накопителями энергии.
Им необходимо уделять им должное внимание, особенно со стороны безопасности, т.е. исключения случайных и неконтролируемых утечек энергии.
В статье мы сосредоточимся на выявлении, а затем и на рекомендациях по устранению этих рисков.
Батарея как источник энергии
Аккумулятор состоит из гальванических элементов. Термин «ячейка» и «батарея» часто путают, например, «пальчиковая батарея» на самом деле представляет собой элемент размера R6 (AA).
Ячейка состоит из корпуса, коллекторной системы, электродной системы, электролита и сепаратора. В дальнейшем мы будем рассматривать элементы как почти идеальные, т.е. с пренебрежимо малыми потерями энергии на саморазряд и с очень высокой эффективностью хранения.
Коллекторная система ячейки состоит из проводников первого типа, которые в основном представляют собой металлы и неметаллические материалы углерода. Задача коллектора - обеспечить контакт активной массы электродов.
В ячейке коллектор необходим, особенно если сам активный материал имеет пониженную проводимость (например, оксиды марганца) или нестабилен на воздухе (литий).
Если активным материалом является, например, медь, нет необходимости создавать коллектор, и электрическая энергия снимается с ячейки с помощью самого электрода.
Таким образом, электрод состоит из активного материала. Каждая ячейка имеет два электрода, один из которых называется анодом, а другой катодом.
Электроды должны быть изготовлены из разных материалов, чтобы создать разность электрохимических потенциалов в электрохимической системе.
Перенос заряда между электродами в процессах заряда и разряда обеспечивается электролитом, который является проводником так называемого второго типа.
Электролит часто представляет собой водные растворы солей, органические растворы или водные растворы кислот или гидроксидов.
В системе установлен сепаратор для предотвращения внутреннего короткого замыкания – токопроводящего соединения коллекторов или электродов.
Задача сепаратора — обеспечить прохождение ионов и в то же время обеспечить электрическую изоляцию анода от катода.
Сам сепаратор обычно представляет собой пластиковую фольгу с микроотверстиями для прохождения ионов. В некоторых случаях в качестве разделителя используется и другой изоляционный материал, например керамика.
Крышка ячейки должна обеспечивать общее механическое сцепление всей системы, исключать возможные утечки активного вещества или электролита.
В случае требований к герметичной упаковке она также должна обеспечивать возможность возможного сброса давления в случае повышения давления внутри.
Чаще всего используются пластиковые контейнеры или контейнеры из нержавеющей стали. В прошлом также использовались контейнеры из твердой резины (автомобильные аккумуляторы) или стеклянные контейнеры (для станционных открытых аккумуляторов).
Риски и их анализ
В современных знаниях в области безопасности большое внимание уделяется устранению рисков с помощью так называемого анализа рисков.
Один из методов, используемых в анализе риска, состоит из следующих шагов: описание риска -> определение его серьезности -> определение подходящих инструментов для устранения риска -> применение инструментов -> оценка эффективности инструмента.
После внедрения (применения инструментов) по устранению риска всегда должна следовать оценка, и на ее основе снова начинается описание модифицированного риска.
Таким образом, анализ представляет собой бесконечный процесс с целью снижения рисков до значений, близких к нулю. Однако один из основных законов анализа рисков гласит, что нулевого риска достичь невозможно.
В этой статье мы остановимся на наиболее распространенных рисках электрохимических источников тока.
1. Химические риски
Определение риска
Риски, связанные с кислотной или щелочной коррозией, а также с ядовитыми веществами и риском неконтролируемой химической реакции, могут восприниматься как химические риски для аккумуляторов.
С точки зрения классификации наиболее распространенных типов элементов особенно опасны следующие:
- разбавленная серная кислота - коррозия (элементы Pb),
- раствор гидроксида калия с гидроксидом лития - коррозия (элементы NiCd),
- свинец - отравление, длительное воздействие на окружающую среду (элементы Pb),
- кадмий – отравление, длительное воздействие на окружающую среду (элементы NiCd),
- органические электролиты литиевых аккумуляторов – отравление, токсичные выбросы (элементы Li),
- литий (металл) – бурное окисление на воздухе (литиевые элементы).
На практике так называемый паспорт безопасности помогает определить эти риски. Его можно получить по запросу у производителя изделия.
Серьезность рисков
Каждый риск должен оцениваться с точки зрения его воздействия на окружающую среду. Особое внимание следует уделить рискам с последствиями для жизни и крупным материальным ущербом. Эти риски имеют приоритет в анализе и устраняются в первую очередь.
Необходимо осознавать, что предотвратить все риски технически невозможно, а также неэкономно. Так что всегда будет приемлемый уровень риска, хотя в идеальном состоянии этот уровень должен быть близок к нулю.
В случае химических рисков на первом месте стоит бурная химическая реакция, которая активно выбрасывает химическое вещество в окрестности батареи, затем следуют риски, связанные с выделением ядовитого или взрывоопасного газа.
Менее серьезные риски представляют собой небольшую утечку электролита или меньшее количество активного вещества. Например, старый свинцово-кислотный аккумулятор, выброшенный на свалку вместо переработки, представляет опасность для окружающей среды.
2. Энергетические риски
Определение риска
Аккумуляторные системы характеризуются как источники с низким внутренним сопротивлением, т.е. способные отдавать большие токи.
В случае низковольтных батарей (примерно до 28 В) в случае короткого замыкания дуга не загорится, и, таким образом, основной риск заключается в выделении тепла из-за омических потерь при прохождении тока короткого замыкания.
Даже относительно небольшая батарея способна подавать ток порядка сотен ампер в режиме короткого замыкания. При коротких замыканиях на батареях с более высоким напряжением добавляется риск горения дуги с ее высокой тепловой мощностью.
Прочие энергетические риски:
- Внутреннее короткое замыкание – внутри корпуса батареи происходит тепловыделение, тепловыделение сопровождается быстрым повышением давления внутри системы.
- Поломка сепаратора, ошибка обработки сепаратора — при превышении максимально допустимой рабочей температуры аккумулятора сепаратор может выйти из строя и впоследствии вызвать внутреннее короткое замыкание. Если сепаратор изготовлен из тонкой пленки, он может быть механически поврежден в случае ошибки обработки ячейки, как это было, например, в случае с мобильными телефонами Samsung.
- Внешнее короткое замыкание – короткое замыкание на клеммах или в установке системы, подключенной к аккумулятору. В результате короткого замыкания может повыситься температура аккумулятора.
- Выделение электрохимической энергии в результате механического разрушения клетки – в основном, это внутреннее короткое замыкание, вызванное смешением (соединением) внутренних активных веществ в клетке, например проникновение инородного тела.
Количество выделяемой энергии напрямую связано с емкостью аккумулятора. Таким образом, размер батареи играет роль в оценке риска.
Например, для нужд некоторых анализов также оценивается содержание лития в литиевых батареях, и впоследствии этому значению подчиняются меры регулирования, например, на воздушном транспорте.
Серьезность рисков
Наибольший уровень опасности имеют внутренние короткие замыкания, вызывающие повышение давления и разрыв ячейки, либо ее возгорание.
Риск внешних коротких замыканий ниже, когда за пределами батарейного отсека часто возникает тепло, и короткое замыкание можно отключить с помощью защитного устройства (предохранителя).
Как это ни парадоксально, неисправности, вызванные пробиванием элемента «Battery Nail Penetration Test», часто имеют меньшие последствия, чем внутренние короткие замыкания, благодаря тому, что образовавшееся отверстие уравновешивает давления внутри аккумулятора, а утечка электролита направлена по оси отверстие.
Таким образом, общее напряжение аккумуляторной системы, емкость и химический состав элемента оказывают существенное влияние на размер риска.
3. Механические риски
Определение риска
Механические риски в первую очередь связаны с высокой удельной плотностью аккумуляторных систем и, следовательно, с большим весом элементов и батарей. Это травмы, вызванные падением аккумуляторов.
В качестве альтернативы, если аккумулятор упадет, может быть нарушена целостность крышки или могут быть повреждены клеммы, что приведет к утечке электролита и возникновению энергетического или химического риска для аккумулятора.
Еще один риск — повреждение внутренней структуры аккумулятора из-за ударов в мобильных приложениях.
Серьезность рисков
Серьезность риска возрастает для мобильных систем и для систем с большим весом. В случае повреждения внутренней конструкции часто происходит внутреннее короткое замыкание или наоборот происходит размыкание цепи аккумулятора.
Устранение рисков
Устранение химического риска
Аккумуляторные системы целесообразно проектировать двухкорпусными, где внешняя оболочка обеспечивает защиту от утечки химических веществ в окружающую среду. Аккумуляторы с гелевым электролитом или системы с пониженным содержанием электролита, как правило, более устойчивы к утечкам электролита.
Еще одна очень эффективная, хотя зачастую и сложная в реализации процедура устранения рисков – выбор подходящих материалов для изготовления изделия.
Примером может служить замена элементов NiCd (ядовитый кадмий) на элементы NiMH. В случае металлов, которые обычно являются ядовитыми (например, свинец), очень важным элементом устранения риска является обеспечение достаточно надежной системы сбора использованных батарей и их переработки.
Устранение энергетического риска
Устранение внутренних коротких замыканий зависит от качества производства элементов, а также от качества отдельных материалов. В основном это сепараторы и электроды.
Размер изделия отрицательно влияет на риск повреждения. Чем больше емкость отдельной клетки, тем больше энергии выделяется при ее повреждении, а значит, возрастает угроза окружающей среде.
С этой точки зрения более выгодны системы, состоящие из большего числа мелких ячеек, но только при условии эффективного предотвращения образования лавинного эффекта, когда одна клетка воздействует на другую.
Для устранения энергетических рисков также важно оборудовать элементы и батареи подходящими предохранительными устройствами. Часто используемая система представляет собой использование элементов «polyfuse» (PTC), встроенных непосредственно в ячейку.
С предохранителями и автоматическими выключателями внешних цепей образование высокоимпедансного короткого замыкания может быть проблемой, которые не могут соответствовать текущему условию отсечки.
При таком коротком замыкании место короткого замыкания часто интенсивно нагревается за счет прохождения тока, но возникающего тока недостаточно для снаряжения предохранителя.
Это явление особенно опасно в системах с более низким напряжением (до 48 В). Поэтому в защите от коротких замыканий, а также недозаряда и перезаряда часто участвует система BMS (Battery Management System), которая проверяет поведение цепи и отключает аккумулятор в случае возникновения проблем.
Исключение механического риска
Этот риск можно очень эффективно устранить, используя подходящую механическую конструкцию батареи с достаточным сопротивлением.
С точки зрения долговечности необходимо оценивать не только статическую износостойкость аккумуляторной системы, но и динамические силы, действующие на мобильные приложения во время работы и на стационарные приложения во время транспортировки батареи к месту назначения.
Используемая конструкция также должна выдерживать воздействие огня в течение определенного периода времени и обеспечивать достаточную защиту от пыли и воды.
4. Электромобильность
С точки зрения воздействия окружающей среды на аккумуляторную систему электромобильность занимает весьма специфическое место.
Аккумуляторы во время работы испытывают большую нагрузку и существует гораздо большее разнообразие рисков, чем в стационарных системах.
В конце статьи мы проведем простой анализ рисков даже в этом конкретном случае использования.
Анализ риска
Основным фактором риска электромобиля можно считать вибрации, возникающие при движении транспортного средства. Эти вибрации передаются на аккумуляторную систему и механически воздействуют на электроды, соединения и конструкцию аккумуляторных блоков.
Ускорение во время ударов является значительным, и их воздействие может быть разрушительным в долгосрочной перспективе (усталостные переломы).
Еще одним риском является эксплуатация в широком диапазоне температур, когда в зимние месяцы батарея подвергается воздействию температур значительно ниже точки замерзания, в дополнение к значительному охлаждающему эффекту от проходящего воздуха.
В летние месяцы батарея испытывает термическую перегрузку из-за нагревания воздуха от дорожного покрытия. Не в последнюю очередь существуют риски, связанные с дорожно-транспортным происшествием, когда происходит значительная механическая деформация всей системы.
Устранение рисков в электромобилях
Аккумуляторные системы должны быть спроектированы так, чтобы они были заключены в прочный корпус, который не был слишком тесно интегрирован в конструкцию автомобиля.
Зоны деформации машины должны защищать не только экипаж, но и аккумулятор. Особое внимание необходимо уделить распределению тепла и охлаждению батареи.
Ударопрочность часто требует изменения конструкции батареи. Эта проблема особенно актуальна в случае небольших мобильных устройств (электровелосипеды, скутеры...), где часто используются некачественные батареи или батареи, не испытанные на ударопрочность.
Окончательная оценка
Аккумуляторные системы представляют собой комбинированные риски для окружающей среды, устранение этих рисков зависит, главным образом, от внимательности и качества предпринятых мер. И наоборот, сама мера не должна становиться фактором риска.
Большинство производителей аккумуляторов хорошо справляются с этими рисками, однако большая доля увеличения риска связана с неправильной установкой аккумуляторных систем. Анализ риска всегда должен быть частью основных процедур при проектировании любой системы, а не только аккумуляторной.