Безопасность литий-ионных батарей сильно зависит от их химического состава, поскольку он влияет на энергоемкость, химическую стабильность и устойчивость к тепловому разгону. Как правило, чем больше энергии храниться в килограмме аккумулятора, тем большую опасность он представляет.
Ниже перечислены Li—ion батареи разных типов от более безопасных к менее безопасным:
- Литий-титанатно-оксидные (LTO)
- Литий-железо-фосфатные (LFP или LiFePO4)
- Никель-марганец-кобальт-оксидные (NMC)
- Никель-кобальт-алюминий-оксидные (NCA)
- Литий-кобальт-оксидные (LCO)
Рассмотрим подробнее, почему, например, аккумуляторы LFP считаются более безопасными, чем NCA или LCO.
Тепловой разгон
Основная причина опасности литиевых элементов связана с явлением теплового разгона. В результате перегрева может произойти цепная реакция, приводящая к воспламенению или взрыву ячеек. Обычно это случается из-за неправильной эксплуатации, неблагоприятных климатических условий или повреждения батареи. Скорость реакции и нагрева зависит от химического состава ячеек, поэтому не все типы литиевых аккумуляторов одинаково восприимчивы к этому явлению.
На графике ниже показана энергия, выделяемая во время искусственно вызванного теплового разгона.
Из графика видно, что элементы с химсоставом LCO и NCA наиболее опасны с точки зрения выброса тепла, поскольку рост температуры за минуту составил 470°C.
Химический состав NMC выделяет примерно вдвое меньше энергии, за минуту температура превысила 200°C. Такой уровень энергии также способен вызвать внутреннее горение материалов и воспламенение элемента.
Что касается аккумуляторов LFP, то они слабо подвержены тепловому разгону. За минуту температура едва повысилась на 1,5°C. При таком низком уровне высвобождаемой энергии возгорание принципиально невозможно. В сочетании с защитными платами BMS, батареи LFP сегодня считаются наиболее безопасными в литий-ионном семействе, если не учитывать редкие и более дорогие LTO батареи.
Механическая безопасность Li—ion батарей
В зависимости от химсостава, литиевые элементы отличаются разной стойкостью к ударам и механическим воздействиям. Наиболее показательный способ определить безопасность – испытать на пробивание гвоздем. Если выполнить подобный тест, то при перфорации элементов LFP (LiFePO4) можно наблюдать стабильное поведение, в то время как элемент NMC почти мгновенно воспламеняется. Заряженные LCO, NCA или литий-полимерные аккумуляторы также воспламеняются при испытании на перфорацию.