Які загальні стандарти безпеки для літій-іонних батарей?

Літій{0}}іонні батареї (LIB) – це складні електрохімічні та механічні системи, на які діють десятки міжнародних стандартів безпеки. У цьому розділі поширених запитань ми обговоримо ключові екологічні аспекти безпеки LIB, переглянемо загальні стандарти безпеки для літій-іонних акумуляторів і розглянемо використання спеціальної лабораторії для тестування акумуляторів, щоб забезпечити безпеку персоналу, який проводить тестування.

Багато проблем з безпекою LIB виникають через чутливість пристроїв до напруги та температури. Акумулятори призначені для роботи в діапазоні температур від -30 до 55 градусів.

При температурі вище 55 градусів (приблизно до 80 градусів) батареї демонструють кращу продуктивність завдяки швидшим електрохімічним реакціям і швидкій міграції іонів в електроліті та електродах. За цих умов побічні реакції стають серйозними, що призводить до швидкого зниження дієздатності. При температурі вище 80 градусів батареї починають псуватися, а будь-яка температура вище 130 градусів може спричинити плавлення компонентів батареї та потенційне займання.

Робоча напруга та температура є двома факторами, що впливають на безпеку літієвої батареї.

Робоча напруга та температура є двома факторами, що впливають на безпеку літієвої батареї. Цей приклад стосується клітин NCM.

Низькі температури можуть спричинити низьку продуктивність батареї та пошкодити її, але загалом не становлять загрози для безпеки. Однак надмірне заряджання (надмірна напруга) може призвести до розкладання катода та окислення електроліту, що є проблемою безпеки. Над-розряд (надмірна напруга) може спричинити розкладання поверхні розділу твердого електроліту (SEI) на аноді та може призвести до окислення мідної фольги, що ще більше пошкодить акумулятор.

Окрім проблем із експлуатацією та навколишнім середовищем, пов’язаних із напругою та температурою, механічні пошкодження також можуть спричинити проблеми з безпекою літій-іонних акумуляторів (LIB). Враховуючи ці проблеми, стандарти безпеки для LIB також є широкими.

П’ять загальних стандартів безпеки для літій{0}}іонних батарей:

1. IEC 62133

2. UN/DOT 38.3

3. IEC 62619

4. UL 1642

5. UL 2580

IEC 62133 — це стандарт тестування на безпеку для літій-іонних акумуляторів і акумуляторів, який містить вимоги безпеки для тестування вторинних акумуляторів і акумуляторів, що містять лужні або не-кислотні електроліти. Він використовується для тестування LIB, які використовуються в портативних електронних виробах та інших додатках. IEC 62133 розглядає хімічні та електричні небезпеки, які можуть загрожувати споживачам і навколишньому середовищу, а також механічні проблеми, такі як вібрація та удари. UN/DOT 38.3 (також відомий як тести T1-T8 і UN ST/SG/AC.10/11/Rev. 5) охоплює тестування на безпеку транспортування для всіх LIB, металевих літієвих батарей і батарей. Стандарт тестування включає вісім тестів (T1 – T8), кожен з яких зосереджений на конкретних небезпеках під час транспортування. UN/DOT 38.3 є стандартом само-сертифікації та не потребує незалежного-тестування третьою стороною; однак використання сторонніх випробувальних лабораторій є звичайним для зменшення ризиків судових розглядів у разі інциденту.

Кілька поширених стандартів упаковки та безпечного транспортування для літієвих батарей (таблиця 1) такі:

1. Металеві літієві батареї UN3090, що транспортуються як компоненти

2. UN3480, LIBs, транспортуються як компоненти

3. Літієво-металевий акумулятор UN3091, що транспортується або упаковується разом з обладнанням

4. UN3481, LIB, транспортовані в обладнанні або упаковані з обладнанням.

Багато типів літієвих батарей вважаються небезпечними матеріалами та потребують особливого поводження під час транспортування. IEC 62619 охоплює стандарти безпеки для вторинних літій-іонних батарей і акумуляторних блоків, вказуючи вимоги щодо безпеки застосування для LIB в електронних та інших промислових застосуваннях. Вимоги до тестування стандарту IEC 62619 стосуються як стаціонарних, так і електроприладів.

До стаціонарних застосувань належать телекомунікації, джерела безперебійного живлення (UPS), системи накопичення енергії, комунальні комутатори, аварійні джерела живлення тощо. Електроприводи включають вилкові навантажувачі, візки для гольфу, автоматизовані керовані транспортні засоби (AGV), залізничні та морські-окрім дорожніх транспортних засобів.

UL 1642 – це стандарт UL щодо безпеки літій-іонних акумуляторів, який визначає стандартні вимоги до первинних і вторинних літій-іонних акумуляторів, які використовуються як джерела живлення в електронних продуктах.

UL 1642 охоплює:

1. Технічні-змінні літій-іонні батареї, що містять 5,0 грамів (0,18 унцій) або менше металевого літію. Батареї з вмістом літію понад 5,0 грамів оцінюватимуться на відповідність вимогам (якщо застосовно) і підлягатимуть додатковому тестуванню та перевірці, щоб визначити їхню придатність для використання за призначенням.

2. Літієві-замінні літієві батареї, кожна електрохімічна комірка яких містить не більше 4,0 грамів (0,13 унції) металевого літію та не більше 1,0 грама (0,04 унції) металевого літію. Батареї, що містять понад 4,0 грами або понад 1,0 грам літію, вимагають додаткової перевірки та тестування, щоб визначити, чи батарея або елемент придатні для використання за призначенням.

UL1642 не покриває ризик токсичності від проковтування літієвих батарей або ризик впливу металевого літію через пошкодження або порізи батареї.

UL2580x — це стандарт безпеки UL для акумуляторів електромобілів, який складається з кількох тестів, зокрема:

Високий-струм короткого замикання батареї: запустіть повністю заряджений зразок. Коротко-замкніть зразок, використовуючи загальний опір ланцюга, менший або рівний 20 мОм. Іскрове запалювання виявляє наявність горючого газу в зразку без ознак вибуху чи пожежі. Крім того, пари не виходять назовні через спеціальні вентиляційні отвори чи системи. Немає ознак розриву корпусу або помітного витоку електроліту. Якщо LIB залишається в робочому стані після випробування на коротке-замикання, він проходитиме цикли заряджання та розряджання відповідно до специфікацій виробника. Перевірку-короткого замикання можна проводити на під-компонентах, а не на цілому накопичувачі енергії (EESA).

Battery Crushing: працює на повністю зарядженому зразку та імітує вплив зіткнення автомобіля на цілісність EESA. Подібно до випробування на коротке-замикання, іскрове запалювання виявляє наявність концентрації легкозаймистих газів у зразку, і немає ознак вибуху чи пожежі. Токсичні гази не виділяються.

Дроблення елементів батареї (вертикальне): працює на повністю зарядженому зразку. Зусилля, що прикладається під час випробування на розчавлення, має бути обмежено вагою батареї, яка в 1000 разів перевищує вагу. Подібно до випробування на розчавлення, іскрове запалювання виявляє наявність концентрації легкозаймистих газів у зразку, і немає ознак вибуху чи пожежі. Токсичні гази не виділяються.

Випробувальна камера LIB

Повне тестування LIB за своєю суттю є небезпечною діяльністю. Через глибокий розряд, коротке замикання, високу температуру та різного роду механічні пошкодження можливі дегазація, пожежа чи вибух.

Спеціально розроблені камери для тестування та зберігання LIB були розроблені, щоб зменшити ймовірність травмування персоналу. Одним із прикладів є прогулянка-по 90-хвилинній вогнестійкій кімнаті з внутрішнім і зовнішнім протипожежним захистом, яку можна використовувати як камеру для випробувань або сховище LIB (Малюнок 2).

Функції, призначені для захисту людей і навколишнього середовища, включають:

a) Поверхня для скидання тиску на даху, щоб збалансувати внутрішній і зовнішній тиск у разі аварії.

б) Високо{0}}ефективна вентиляція для швидкого видалення небезпечних або вибухонебезпечних газів.

c) Можливість впорскувати інертний газ, щоб допомогти контролювати небезпечні реакції або пожежі.

d) Пожежні датчики для попередження про розвиток пожежі та комплексні системи пожежогасіння.

e) Додаткові датчики газу для ідентифікації дегазації та розташування додаткових датчиків і сигнальних реле за потреби.

Таким чином, вміст металевого літію в літій-іонних батареях означає, що вони становлять потенційну небезпеку для користувачів систем-живлення від батарей. Небезпека безпеки LIB включає надмірний-розряд, коротке замикання, високі температури та механічне пошкодження. Існують десятки міжнародних стандартів безпеки та вимог до дизайну літій-іонних батарей. У цій статті представлено п’ять загальних стандартів безпеки для літій-іонних акумуляторів, а також деякі основні зауваження під час призначення випробувальної камери LIB.