В рамках прошедшей в Москве выставки «Автономные источники тока» (RusBat) 27 марта состоялась Научно-практическая конференция «Российский рынок систем электрохимического накопления электрической энергии и батарейных систем электротранспорта. Проблемы и перспективы». На ней рассматривались различные вопросы, связанные с электротранспортом, но наибольшее внимание в этот раз было уделено вопросам пожарной и экологической безопасности аккумуляторов.
За безопасность надо платить
Заведующий лабораторией литий-ионных технологий ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН Василий Жданов (Санкт-Петербург) в своем докладе произвел сравнение различных конструкций аккумуляторов и аккумуляторных батарей на предмет безопасности. В числе основных факторов, влияющих на безопасность конструкции аккумуляторов, докладчик назвал устойчивость к механическим воздействиям и возможности по управлению температурой.
В настоящее время существует три основных формата Li-Ion аккумуляторов: цилиндрический, пакетный и призматический.
Преимуществом аккумуляторов цилиндрической формы является то, что их можно производить на полностью автоматизированных линиях. Конструкция у них прочная, без проблем осуществляется теплоотвод. Но есть и серьезный недостаток — относительно малая плотность хранения энергии.
В пакетных аккумуляторах компоненты заламинированы в пластиковый пакет, который и является корпусом. Благодаря этому удается достичь наибольшей плотности хранения энергии. Но безопасность такой конструкции находится на низком уровне. Эти аккумуляторы подвержены механическим повреждениям. К тому же, затруднено отведение тепла от них.
Призматические аккумуляторы сочетают в себе высокую механическую прочность, эффективный теплоотвод и достаточно высокую плотность хранения энергии. То есть, данные аккумуляторы имеют высокий уровень безопасности. Но, при равной емкости, они стоят дороже, чем Li-Ion аккумуляторы других форматов.
До недавнего времени для транспортных нужд из «лития» больше всего в мире, в пересчете на емкость, выпускалось пакетных аккумуляторов, потом шли призматические и на последнем месте были цилиндрические. Но, согласно прогнозам Института Фраунгофера (Германия), уже в 2025 г. на первое место должны выйти призматические аккумуляторы. А в Китае, который является основным производителем аккумуляторов для электротранспорта, это уже произошло.
Батарея для электромобиля может собираться из отдельных аккумуляторов. Другой вариант — из отдельный аккумуляторов собираются модули, а потом из модулей уже собирается батарея. Модульный подход обеспечивает более высокий уровень безопасности, как с точки зрения устойчивости к механическому воздействию, так и с точки зрения управления температурой. Но, с другой стороны, более высокая плотность хранения энергии характерна именно для батарей, собранных не из модулей, а из аккумуляторов, а это тоже важно для транспортных средств. В итоге, при проектировании электротранспорта выбор формы аккумулятора и конструкции связан с оптимизацией ряда параметров при установленных ограничениях, касающихся размеров батареи и уровня безопасности.
Борьба с тепловым разгоном
Центральной темой доклада заместителя генерального директора по проектной деятельности ООО «Системы Автономной Энергии» Дениса Филатова «Опыт производства и эксплуатации тяговых Li-ion батарей для электротранспорта. Вопросы безопасности» стало явление теплового разгона аккумулятора в батарейном модуле. При росте температуры электролита возрастает ток через аккумулятор. В свою очередь, увеличение тока приводит еще большему росту температуры. Тепловой разгон возникает при зарядке аккумуляторов или подключению к ним слишком большой нагрузки, если не сработала защита. Но он также может возникнуть и при внутреннем замыкании аккумулятора.
Если в составе аккумуляторной батареи оказался один неисправный элемент, подверженный тепловому разгону, то он может вызвать нагрев других аккумуляторов, входящих в батарею, выше допустимого значения. Из-за этого вся батарея может самовоспламениться и даже взорваться. Для предотвращения указанного явления Денис Филатов предлагает размещать между аккумуляторами в батарее термоизолирующие прокладки.
Большую дискуссию среди собравшихся вызвало описание Денисом Филатовым опыта, проведенного совместно с НИИПИ при Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России и ФТИ им. Иоффе. В ходе данного опыта посредством перезарядки было вызвано возгорание одного из аккумуляторов в батарее. После обнаружения возгорания включилась автоматическая система пожаротушения, которая поливать батарею водой. За 25 секунд возгорание было потушено, причем удалось избежать горения всей батареи, сгорел только один аккумулятор. В настоящее время тушение Li-Ion аккумуляторов водой категорически запрещено, поэтому данный опыт вызвал немалое удивление специалистов. Докладчик разъяснил, что в данном случае батарея надежно закрыта защитным кожухом, то есть вода ничего не тушит (она и не соприкасается с аккумулятором), а только охлаждает.
О тепловом разгоне, как о ключевом аспекте пожарной опасности Li-Ion аккумуляторов говорил в своем выступлении и начальник НИИПИ при Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России Антон Мельник. Он отметил, что пожарная опасность литий-ионных аккумуляторов существенно зависит от химического состава и материала сепаратора. Терморазгон Li-Ion аккумуляторов приводит к самовозгоранию, либо выбросу горючих газов без их воспламенения, но с образованием взрывоопасной газовоздушной смеси в закрытых помещениях. При этом наибольшую склонность к терморазгону и самовозгоранию проявляют полностью заряженные аккумуляторы. Менее склонны к самовозгоранию аккумуляторы, разряженные полностью или частично.
Следует иметь в виду, для Li-Ion аккумуляторов характерно фонтанирующее горение
с высокой температурой факела, что может приводить к быстрому зажиганию окружающих горючих материалов. При этом тушение единичного литиевого аккумулятора в реальности невозможно ввиду того, что он выгорает за 15-30 секунд. Тем не менее, следует бороться за то, чтобы не загорелась вся батарея.
По его мнению Антона Мельника, большую эффективность показало тушение Li-Ion аккумуляторов и батарей тонкораспыленной водой.
От себя добавим, что, в любом случае, речь пока идет только о научных опытах, применять воду для борьбы с возгоранием Li-Ion аккумуляторов на реально существующих электроустановках недопустимо!
Создание отечественной мембраны безопасности
При неисправности в Li-Ion аккумуляторе, либо при его работе в нештатном режиме в нем образуются в большом количестве газы. Если их не выпустить за пределы корпуса, акумулятор раздуется и даже может взорваться. Для предотвращения данного явления используется специальная мембрана безопасности. Если давление газов превышено, то мембрана разрушается, выпуская их наружу. Например, в аккумуляторе призматической формы мембрана должна срабатывать от 1/3 максимально давления разрушения корпуса по боковому шву.
Вопросы производства таких мембран были одной из тем доклада главного конструктора по тематическому направлению АО «АВЭКС» Александра Хечинашвили (Москва).
При создании отечественных литий-ионных аккумуляторов, к безопасности которых предъявлялись повышенные требования, сначала были изучены доступные на рынке защитные мембраны китайского производства. По утверждению Александра Хечинашвили , ни одна из них не соответствовала заявленному значению давления, при котором должно происходить ее разрушение. У компании «АВЭКС» ушел год на формирование требований к мембранам и проведения экспериментов. В результате удалось создать отечественную мембрану на давление до 5 атм. Каждая мембрана проходит контроль на специальном оборудовании. В результате этой процедуры проверяется равномерность глубины насечек.
Перепрофилирование и утилизация
Утилизации Li-Ion аккумуляторов было посвящено выступление Владимира Мацюка из ООО «Мегаполисресурс» (Челябинск). Основная проблема — безопасная перевозка отработанных аккумуляторов.
Компания «Мегаполисресурс» перевезла уже более 100 т отработанных литиевых аккумуляторов и пока не было никаких инцидентов. Чтобы обеспечить безопасность, используется уже хорошо зарекомендовавший себя в Китае метод солевого раствора. Суть его заключается в том, что аккумуляторы погружаются на 1 — 3 недели в хлорид лития. При этом происходит разряд аккумуляторов до напряжения не более 0,5 В. Кроме этого, контакт внутренностей аккумуляторов с жидкостью происходит при такой технологии в управляемом режиме, что практические исключает возможные сюрпризы при перевозке.
Рассол из хлорида лития используется многократно. Со временем содержание лития в нем возрастает, после нескольких циклов он идет на переработку. Такой рассол представляет собой сырье, из которого очень легко можно получить литий.
В результате переработки аккумуляторов по технологии солевого раствора получается лом, который при поджигании загорается, но способность к самовозгоранию у него уже утрачена. По словам докладчика, сейчас в результате переработки литиевых аккумуляторов из них удается извлечь не только литий, но и многие другие металлы. А из отработавших свое литий-железо-фосфатных аккумуляторов даже удобрения производят.
О перепрофилировании батарей из Li-Ion аккумуляторов рассказал директор Ассоциации «РУСБАТ» Сергей Орлов. Изношенная батарея, параметры которой уже не годятся для электромобилей, может быть использована для других применений.
В Китае, если емкость аккумуляторной батареи электромобиля упала менее 80% от номинального значения, но больше 60%, ее используют на объектах электроэнергетики. От 60% до 20% - в системах резервного питания. И только при падении емкости ниже 20% отправляют аккумулятор на утилизацию.
Перепрофилирование аккумуляторных батарей регламентируется рядом международных стандартов. В России в 2024 — 2025 г.г также было принято семейство ГОСТ, регламентирующих данные вопросы.
По мнению докладчика, в общем случае есть смысл перепрофилировать только всю аккумуляторную батарею целиком. Извлекать из нее отдельные аккумуляторы, с точки зрения экономики не имеет никакого смысла. Тем не менее, при использовании батареи целиком могут возникнуть проблемы, связанные с авторскими правами. Дело в том, что в аккумуляторную батарею может быть встроен контроллер, в котором записано пропиетарное программное обеспечение. Исключительные права на этот «софт» принадлежат производителю батареи.
Решить технические и организационные проблемы, связанные с перепрофилированием можно, опираясь на опыт Южной Кореи, где аккумуляторные батареи для электромобилей предоставляются по принципу услуги. Кроме этого, нужно внедрять цифровую маркировку аккумуляторных батарей.
Выводы
Как и в случае со многими другими изобретениями, огромные возможности, которые дали литиевые аккумуляторы человечеству, имеют и обратную сторону. Но проблемы постепенно решаются. Например, еще лет десять тому назад отработавшие свое аккумуляторы на основе лития просто закапывали в землю, соблюдая меры по изоляции их от грунтовых вод. А сейчас даже удобрения из них научились делать! Что же касается пожаробезопасности аккумуляторов, то уже сейчас существует немало эффективных мер по ее повышению, вопрос лишь в том, что они увеличивают себестоимость конечной продукции. И здесь, наверное, есть смысл включиться в работу государственным регулирующим органам, сделав таким меры обязательными. Тем самым будет поставлен заслон проникновению на рынок заведомо небезопасной продукции. А, в конечном счете, — повысится доверие простых пользователей к современных технологиям накопления электроэнергии.