Литий-ионные аккумуляторы отличаются по степени риска
В связи с развитием тенденций в области хранения энергии в средствах массовой информации появляются сообщения о возгорании и даже взрыве литий-ионных аккумуляторов. Это вполне обоснованное опасение, поскольку потребителям давно пора понять основную истину о литий-ионных аккумуляторах.
Применение литий-ионных аккумуляторов в США растет в геометрической прогрессии. Сегодня каждый телефон, электроинструмент и электромобиль оснащаются литиевыми батареями, не говоря уже о 100 ГВт-ч или около того литиевых батарей, работающих в масштабах коммунального хозяйства.
Это заставляет многих потребителей нервничать. По мере развития этой тенденции в СМИ появляются сообщения о возгорании и даже взрыве литий-ионных аккумуляторов. Это обоснованное беспокойство, и потребителям давно пора понять основную истину о литий-ионных аккумуляторах.
Важнейший момент, который либо не учитывается, либо опускается в каждой из сотен страшных историй, которые можно найти в Интернете о пожарах в электромобилях, бытовых и домашних аккумуляторах, заключается в том, что «литий-ионный» — это общий термин. Он не описывает конкретный тип батареи. Существует более десятка химикатов литий-ионных батарей. Шесть из них вышли за пределы лаборатории. Три из них можно найти на рынке. Два из них невероятно распространены, а различия между ними настолько существенны, что их сравнение послужит отличным учебным пособием по данному вопросу.
Варианты НМЦ
Первый химический элемент — никель-марганец-кобальтовый оксид лития или NMC. Примерно до 2020 года они были безусловным лидером по доле рынка литиевых батарей. В 2022 году на них по-прежнему приходилось около 60% рынка. Однако после многочисленных (в основном не описанных) случаев возгорания батарей в ранних моделях электромобилей (EV) и последующего перехода Tesla и ряда других крупных производителей EV на использование исключительно литий-железо-фосфатных (LFP) аккумуляторов в прошлом году, ожидается, что в скором времени эта доля сократится вдвое.
NMC имеют плотность энергии примерно на 10% (в зависимости от производителя) выше, чем LFP. Кроме того, они значительно легче LFP в расчете на кВт-ч. Это в значительной степени обусловило их раннее внедрение в промышленность. Однако неудовлетворительные показатели безопасности, срока службы и растущая стоимость материалов привели к тому, что в последний год практически во всех отраслях промышленности предпочтение отдается литиевым аккумуляторам.
Опасности литий-ионных аккумуляторов, о которых так многократно предупреждали общественность, связаны почти исключительно с опасностями НМЦ. Первичной является очень низкая температура теплового разгона, достигаемая во многих реальных сценариях. Ежегодно в большинстве регионов страны бьются рекорды температуры, и температура окружающей среды 110° и даже 120°F становится почти обычным явлением в регионах, где до 2000-х годов таких температур не наблюдалось.
В условиях, когда большая часть энергосистем страны страдает от недостаточной и разрушающейся инфраструктуры, а также в сочетании с повышенным спросом на кондиционирование воздуха в жаркую погоду, гораздо чаще возникает «идеальный шторм», когда аккумуляторные батареи NMC, подключенные к энергосистемам (в гараже или в хранилище), вынуждены экспортировать свою максимальную мощность при самых высоких температурах окружающей среды. Таким образом, достигается их (тревожно низкая) температура теплового разгона, что приводит к взрыву элементов и возгоранию батарей.
Призывы к эвакуации в случае крупных инцидентов, помимо опасности взрыва в непосредственной близости, подаются пожарными, поскольку газовые выбросы при разрыве ячеек NMC чрезвычайно токсичны и содержат несколько фторсодержащих газов, а также кобальт и марганец, содержание которых значительно превышает предельно допустимые концентрации.
Химический состав LFP
LFP или литий-железо-фосфат, также известный как LiFePO4, представляет собой совершенно иной химический состав. Имея гораздо более высокую температуру теплового разгона (примерно на 20° C выше в зависимости от производителя), вероятность разрыва элемента из-за теплового разгона находится далеко за пределами нормальных условий эксплуатации, даже в самый жаркий день.
Кроме того, (и это кажется очевидным, но все же стоит упомянуть) железо не горит так, как марганец. В тех редких случаях, когда пожар происходит из-за выхода батареи из строя, он ограничивается проводами и иногда печатными платами системы управления батареей (BMS). Если предположить, что корпус батареи соответствует стандартам NEMA или IP, то возгорание элементов не может выйти за пределы корпуса, если он не пробит.
Кроме того, результаты нескольких экспериментов с принудительным взрывом элементов подтвердили с помощью газовой хроматографии, что выделяющиеся при разрыве элементов газы являются наименее токсичными (не содержат аэрозолей переходных металлов, в отличие от NMC) среди трех распространенных литиевых химикатов.