Baterie litowo-jonowe są powszechnie stosowane w codziennym życiu. Mogą być znacznie mniejsze i lżejsze od wcześniejszych generacji akumulatorów, a jednocześnie zapewniać porównywalną moc. Dlatego coraz częściej wykorzystuje się je w różnego rodzaju urządzeniach elektrycznych i elektronicznych.
Rosnąca liczba takich urządzeń ma jednak również wpływ na sposób ich późniejszej utylizacji i zwiększa znaczenie właściwego postępowania z bateriami. Uszkodzenie ogniwa może bowiem prowadzić do zwarcia, przegrzania, pożaru, a w określonych warunkach także do gwałtownej reakcji termicznej.
Baterie litowe projektowane są z myślą o wysokiej wydajności przy możliwie niewielkiej masie. Ich konstrukcja wykorzystuje cienkie przegrody pomiędzy ogniwami oraz lekką powłokę zewnętrzną. Elementy te mogą być podatne na uszkodzenia mechaniczne.
Jeżeli dojdzie do wewnętrznego lub zewnętrznego połączenia biegunów baterii „+” i „–”, które w prawidłowych warunkach pozostają rozdzielone, może powstać zwarcie. Jego skutki zależą między innymi od stanu naładowania baterii. W określonych sytuacjach zwarcie może zapoczątkować zdarzenie termiczne, takie jak iskrzenie, pożar lub wybuch.
Drugim zagrożeniem jest wzrost temperatury baterii do poziomu, przy którym może rozpocząć się ucieczka termiczna. W takim przypadku rosnąca temperatura i ciśnienie wewnątrz ogniwa mogą prowadzić do jego poważnego uszkodzenia.
|
Uszkodzenia baterii mogą wynikać z konstrukcji i montażu sprzętu elektrycznego i elektronicznego, nieprawidłowego obchodzenia się z bateriami podczas użytkowania oraz błędów popełnianych podczas wysyłki, przechowywania, transportu lub postępowania z urządzeniem po zakończeniu jego eksploatacji. |
Jakie działania mogą prowadzić do uszkodzenia baterii litowo-jonowej?
Do uszkodzenia baterii może dojść między innymi wskutek zwarcia, uderzenia, działania skrajnych temperatur lub degradacji elementów wewnętrznych. Znaczenie ma zarówno sposób użytkowania urządzenia, jak i późniejsze obchodzenie się z nim podczas transportu, magazynowania czy przetwarzania zużytego sprzętu.
Najczęstsze sytuacje zwiększające ryzyko to:
-
Zwarcie spowodowane zewnętrznym materiałem – może powstać, gdy metalowy element, inna bateria lub odpad połączy bieguny tej samej baterii lub ogniwa. Jeżeli bateria nadal posiada wystarczający poziom energii, może to doprowadzić do poważnego zdarzenia.
-
Fizyczne uderzenie lub wstrząs – uszkodzenie zużytego sprzętu elektrycznego lub samej baterii może przesunąć elementy znajdujące się w jej otoczeniu i doprowadzić do połączenia biegunów oraz zwarcia.
-
Narażenie na skrajne temperatury – działanie temperatur powyżej +60°C lub poniżej –20°C może zwiększać ryzyko wystąpienia zwarcia.
-
Uszkodzenia ogniw i modułów – mogą wynikać między innymi ze starzenia się baterii i degradacji jej materiałów wewnętrznych. Jednym z takich zjawisk jest tworzenie dendrytów, czyli przewodzących struktur, które mogą przekroczyć separator oddzielający bieguny i doprowadzić do wewnętrznego zwarcia.
Powstawanie dendrytów może być związane z procesem starzenia oraz przebiegiem ładowania i rozładowywania akumulatora.
Za uszkodzone należy uznawać również baterie pozbawione obudowy. Brak zewnętrznego zabezpieczenia może zmniejszyć odległość pomiędzy biegunami i zwiększyć ryzyko ich kontaktu. Odsłonięta metalowa część baterii może również stać się elementem przewodzącym prowadzącym do zwarcia.
Przykłady uszkodzonych akumulatorów (Źródło: INOBAT).
Szczególnej uwagi wymagają również baterie wycofywane z powodu wad produkcyjnych, ponieważ mogą być bardziej podatne na przegrzanie. Baterie kieszonkowe i elastyczne, które są zdeformowane lub spuchnięte, powinny być traktowane jako baterie krytyczne.
Co dzieje się, gdy bateria litowo-jonowa ulegnie awarii?
Awaria baterii litowo-jonowej może rozpocząć reakcję, podczas której kolejne elementy ogniwa nagrzewają się i uwalniają dodatkową energię. Uszkodzenie barier oddzielających reaktywne materiały może uruchomić efekt domina prowadzący do bardzo wysokiej temperatury, emisji gazów, pożaru, a w określonych warunkach również do wybuchu.
W ogniwach litowo-jonowych reaktywne materiały znajdują się w niewielkiej przestrzeni, blisko lotnych i łatwopalnych elektrolitów.
Gdy oddzielające je bariery zostaną uszkodzone, może rozpocząć się łańcuch reakcji chemicznych generujących ciepło. Temperatura może wzrosnąć nawet do 700–800°C, co znacznie utrudnia kontrolowanie zdarzenia.
Podczas takiego procesu bateria może również uwalniać palne gazy. Dym powstający podczas pożaru baterii litowych może zawierać substancje palne, rakotwórcze, toksyczne i żrące, dlatego konieczne jest ograniczanie ryzyka ich wdychania.
Jak rozwija się ucieczka termiczna w baterii litowo-jonowej?
Ucieczka termiczna zaczyna się od wzrostu temperatury, który uruchamia kolejne reakcje chemiczne wewnątrz ogniwa. Wraz z dalszym nagrzewaniem mogą powstawać gazy, topić się separator oddzielający anodę i katodę, a kolejne reakcje generują jeszcze więcej ciepła. Proces może ostatecznie stać się samopodtrzymujący.
Początkowo wzrost temperatury może dotyczyć tylko części baterii, ale ciepło może następnie przenosić się na kolejne jej elementy. Po osiągnięciu określonej temperatury elektrolit zaczyna generować gazy. Separator oddzielający anodę i katodę może się stopić, powodując zwarcie i uruchamiając kolejne reakcje chemiczne. Gdy temperatura ogniwa osiąga około 80°C, warstwa chroniąca anodę zaczyna się rozkładać w reakcji generującej dodatkowe ciepło. W temperaturze około 100–120°C zaczyna rozpadać się elektrolit. Reakcja ta może powodować dalsze uwalnianie ciepła oraz powstawanie gazów, takich jak dwutlenek węgla, tlenek węgla, metan, etan, etylen czy wodór. Przy około 120–130°C separator oddzielający anodę i katodę może się stopić. Kontakt elektrod może spowodować wewnętrzne zwarcie i dalszy wzrost temperatury. W zakresie około 130–150°C mogą rozpocząć się kolejne reakcje chemiczne związane z materiałem katody i elektrolitem. Są one silnie egzotermiczne i mogą przyspieszać rozwój awarii. Po przekroczeniu około 150–180°C reakcja może stać się samowystarczalna, jeżeli ogniwo nie będzie wystarczająco szybko oddawało wytwarzanego ciepła. Wtedy mówimy o rozbiegu lub ucieczce termicznej. Jeżeli wewnątrz ogniwa nadal rośnie ciśnienie, może dojść do jego pęknięcia lub uwolnienia gazów przez zawór bezpieczeństwa. Powstające palne gazy i elektrolity mogą ulec zapłonowi w obecności źródła zapłonu, prowadząc do płomienia, pożaru, a potencjalnie również do wybuchu.
Od czego zależy temperatura rozpoczęcia ucieczki termicznej?
Temperatura, przy której zaczynają się reakcje prowadzące do ucieczki termicznej, zależy od składu chemicznego ogniwa, jego stanu naładowania oraz wcześniejszej historii użytkowania. Ogólnie im wyższy stan naładowania lub napięcie ogniwa, tym niższa może być temperatura rozpoczęcia niebezpiecznej reakcji. Nawet w ogniwach o takim samym składzie chemicznym próg ten może różnić się w zależności od wcześniejszych obciążeń i sposobu użytkowania.
Przeprowadzone badania wskazują, że temperatury powyżej 170°C mogą prowadzić do eksplozji, podczas których temperatura może gwałtownie wzrosnąć do około 700–800°C.
Dlaczego awarie baterii są szczególnie groźne podczas recyklingu?
W zakładach przetwarzających zużyty sprzęt elektryczny i elektroniczny uszkodzona bateria może stać się źródłem zapłonu dla otaczających ją materiałów. Sprzęt trafiający do recyklingu często zawiera mieszaninę metali, tworzyw sztucznych oraz innych łatwopalnych zanieczyszczeń, co może zwiększać skalę potencjalnego pożaru.
Poważny incydent może objąć duże ilości zużytego sprzętu, doprowadzić do emisji toksycznych oparów oraz spowodować uszkodzenie budynku i urządzeń wykorzystywanych do przetwarzania.
Ryzyko jest szczególnie istotne w przypadku instalacji wyposażonych w kosztowny sprzęt technologiczny i systemy wykrywania, które nie zawsze są zaprojektowane do działania w warunkach intensywnego pożaru baterii.
Jak ograniczyć rozprzestrzenianie się ciepła i ognia?
Jednym ze sposobów ograniczania propagacji ciepła i ognia jest stosowanie specjalnych szaf i pojemników przeznaczonych do przechowywania baterii oraz akumulatorów. Pozwalają one oddzielić potencjalne źródło zagrożenia od pozostałych materiałów i infrastruktury znajdującej się w jego otoczeniu.
Rozwiązania przeznaczone do składowania baterii i akumulatorów znajdziesz w naszej ofercie: zobacz szafy i pojemniki.
Najczęściej zadawane pytania
Co może spowodować zwarcie baterii litowo-jonowej?
Zwarcie może powstać między innymi wtedy, gdy materiał przewodzący połączy biegun dodatni i ujemny baterii. Przyczyną mogą być również uszkodzenia mechaniczne, degradacja elementów wewnętrznych lub dendryty tworzące przewodzące połączenie wewnątrz ogniwa.
Czy uszkodzenie mechaniczne baterii może doprowadzić do pożaru?
Tak. Uderzenie, wstrząs lub przebicie baterii mogą uszkodzić jej elementy wewnętrzne i doprowadzić do zwarcia. W określonych warunkach może to zapoczątkować wzrost temperatury, a następnie zdarzenie termiczne.
Co to jest ucieczka termiczna baterii?
Ucieczka termiczna to proces, w którym kolejne reakcje chemiczne wewnątrz ogniwa generują coraz więcej ciepła. Po osiągnięciu określonego poziomu temperatura może dalej rosnąć samoistnie, prowadząc do uwalniania gazów, zapłonu, a nawet gwałtownej awarii ogniwa.
Czy spuchnięta bateria jest niebezpieczna?
Zdeformowane lub spuchnięte baterie wymagają szczególnej ostrożności. W przesłanym materiale baterie kieszonkowe i elastyczne wykazujące takie objawy wskazane są jako baterie krytyczne.
Czy temperatura ma wpływ na bezpieczeństwo baterii litowych?
Tak. Narażenie baterii na skrajne temperatury może zwiększać ryzyko uszkodzenia i zwarcia. Wraz ze wzrostem temperatury wewnątrz ogniwa mogą również rozpoczynać się kolejne reakcje prowadzące do ucieczki termicznej.
Jak wysoką temperaturę może osiągnąć bateria podczas poważnej awarii?
W opisanym procesie reakcje zachodzące podczas ucieczki termicznej mogą prowadzić do bardzo gwałtownego wzrostu temperatury. W materiale wskazano, że w skrajnych zdarzeniach może ona osiągać około 700–800°C.
Dlaczego baterie litowe stanowią zagrożenie w zakładach recyklingu?
Uszkodzona bateria może stać się źródłem zapłonu dla otaczającego ją zużytego sprzętu, tworzyw sztucznych i innych łatwopalnych materiałów. Pożar może więc rozprzestrzenić się poza pojedyncze ogniwo i objąć większą część instalacji.
Jak można ograniczać rozprzestrzenianie się pożaru baterii?
Jednym z rozwiązań jest przechowywanie baterii i akumulatorów w specjalnie przeznaczonych do tego szafach lub pojemnikach. Ich zadaniem jest oddzielenie potencjalnego źródła zagrożenia od otoczenia i ograniczenie propagacji ciepła oraz ognia.
Zapraszam do kontaktu z naszym zespołem
Beata Tymińska
Managing Director
kom. +48 728 82 38 73
beata@topserw.pl
Profil ekspercki LinkedIn: Beata Tymińska
