Насколько безопасны литиевые аккумуляторы?

Североамериканская пресса обожает Илона Маска и с наслаждением смакует успешные проекты его компаний Tesla и SpaceX. Не обделяют вниманием журналисты и сенсационные неудачи, которые их преследуют. Так, новость о том, что в начале ноября в Индианаполисе взорвался электрокар Tesla Model S, разнеслась по медиаканалам с быстротой молнии.

Размашистые заголовки внушали, что самоуправляемая техника стоила человеческих жизней, как в случае с ДТП во Флориде, когда включенный автопилот не сработал.

Не меньшее внимание привлек Samsung Galaxy Note 7, получивший печальную славу вскоре после старта продаж благодаря многочисленным инцидентам с самовозгоранием. Производителю не удалось решить проблему с аккумулятором, поэтому пришлось отозвать фаблет из продажи, когда взрываться стали даже устройства, предназначенные для замены.

Тем не менее, ни один из этих случаев не должен стать причиной всеобщей боязни литий-ионных аккумуляторов. По крайней мере, так считает доктор Вернер Тильметц, профессор Центра по исследованиям в области солнечной и водородной энергетики в Ульме, Германия. По его словам, случай с Samsung, в частности, показывает, что требования производителей смартфонов довели развитие технологии производства аккумуляторов до некоторых пределов.

Для достижения оптимальной плотности мощности и энергии производители уменьшают толщину полимерного сепаратора, отделяющего положительные и отрицательные электроды аккумулятора. Толщина сепаратора аккумуляторов, произведенных по технологиям нынешнего поколения, составляет всего несколько микрометров, но этот слой должен надежно изолировать компоненты аккумулятора друг от друга.

Нарушение технологии производства, например, деформация слоя, не обязательно приводит к дефекту, который может обнаружить контроль качества, зато через некоторое время может стать причиной короткого замыкания внутри ячейки.

Проблема заключается в том, что, как выражается профессор Тильметц, электрохимические ячейки «дышат», — изменение структуры кристалла во время зарядки слегка их растягивает, а при разрядке они снова сжимаются. Такая механическая нагрузка в процессе эксплуатации может полностью разорвать сепаратор, если он был ранее поврежден.

Короткие замыкания внутри ячеек приводят к возникновению очень высоких токов и перегреву. Температура становится критичной при 200-220° C. При таких температурах повышается давление, которое приводит к разрушению ячейки; электролит, которым залита ячейка, начинает вступать в реакции, выделяя летучие вещества.

Примерно при 220° C разлагается материал электродов, в результате реакции выделяется водород, который воспламеняет искра, превращая в язык пламени. Конечно, такие повреждения аккумуляторов опасны, но Тильметц ссылается на статистику: проблема коснулась только каждое 40 000-е устройство из целых двух миллионов выпущенных устройств Galaxy Note 7.

Автомобили на бензине горят чаще

К сожалению, причиной несчастного случая в Индианаполисе стало совсем другое. Тогда в результате возгорания машины погибли два человека, однако аккумулятор оказался ни при чем. Электрокар на высокой скорости мчался по городу, водитель не справился с управлением и врезался в дерево. По свидетельству одного из очевидцев, сразу вслед за этим последовал мощный взрыв. Пожарные справились с огнем только через четверть часа — к тому времени спасать людей было уже поздно.

Тильметц считает очень маловероятной версию крупномасштабного взрыва аккумулятора электромобиля. Судя по опубликованной видеозаписи одного из участвовавших в спасении пожарных, дело происходило следующим образом: из-за сильного нагрева отдельные ячейки поврежденного аккумулятора Tesla начали разрываться одна за другой и искрить, после чего их выбросило в воздух. Тем не менее, по интенсивности взрыв напоминает эффект не столько разорвавшейся бомбы, сколько пиротехнической шашки.

Если в аккумуляторе между ячейками не предусмотрена хорошая изоляция, загоревшаяся и разорвавшаяся ячейка нагревает соседнюю — запускается цепная реакция, так называемый тепловой разгон, который вызывает еще больший скачок температуры, но происходит это, по словам профессора, не взрывообразно, а в течение нескольких минут. В конце концов, во всех известных случаях возгорания электрокаров Tesla все происходило таким образом, что водитель мог без особых затруднений остановить машину и выйти.

И снова Тильметц ссылается на статистику, на этот раз по электромобилям. Возгорание традиционных автомобилей в результате ДТП или ввиду наличия дефектов происходит довольно часто. В Германии, например, ежегодно фиксируется несколько тысяч подобных случаев. На вопрос, является ли электромобиль более пожароопасным, чем автомобиль на горючем, у Тильметца есть четкий ответ: «Нет». Наоборот, вероятность взрыва бензина из-за большого количества энергии даже выше: 50 литров топлива — это, как минимум, 450 кВт⋅ч энергии, а аккумулятор Tesla отдает всего 100 кВт⋅ч.

Аккумуляторы будущего

Литий-ионный аккумулятор сохраняет свою элетроэнергию в литии. При зарядке анода атомы лития сохраняются между слоями графита. При разрядке они отдают электроны и перемещаются в виде ионов лития в слоистую структуру катода (кобальтит лития). Однако после нескольких циклов зарядки-разрядки графитовый слой разрывается. Возможно, скоро графит в таких аккумуляторах заменят на другие материалы: читайте подробнее в нашей статье: «Аккумуляторы нового поколения».