Возгорание Samsung Galaxy note 7 и электромобили

О возгорании Samsung Galaxy note 7 пару лет назад не отписался только ленивый. Но проблема глубже, чем кажется на первый взгляд. Чем большую энергию мы пытаемся запасти в ограниченном объеме, тем тяжелее последствия, если выделение этой энергии станет неуправляемым. И это не зависит от конкретной формы хранения — бак с топливом, аккумулятор, раскрученный маховик или что-то еще.

Как и сказано в видео, проблемы с возгораниями аккумуляторов на основе лития известны с 90 годов 20 века. В 21 веке проблема стала массовой. Известна проблема возгорания ноутбуков Sony и других производителей, комплектовавших свои ноутбуки батареями Sony (Toshiba, Dell, Lenovo), по ссылке 2006 г. На форумах дайверов(которые активно используют мощные аккумуляторы для подводных фонарей), электровелосипедов и любителей радиоуправления эта проблема тоже известна.  И дело не только в дешевых батареях. В авиации, где использую, как правило, весьма недешевые технические решения, с этой проблемой тоже столкнулись. В 2013 г в США и ряде других стран приостанавливались полеты Boeing 787 Dreamliner, одной из причин были возгорания аккумуляторов. Даже просто перевозка таких батарей привела в свое время к возгоранию трех транспортных самолетов, а из 33 случаев возгорания аккумуляторных батарей на борту самолетов, зафиксированных FAA с 2009 года, в 80% случаев были виноваты именно литий-ионные устройства. 14 июня 2016 из-за взрыва литий-ионной батареи сгорел робот NASA Robosimian и всем очень повезло, что в момент возгорания рядом не было людей.

Конкретные механизмы возгорания аккумуляторов описаны здесь и здесь. А вот с причинами сложнее. Это и отклонения от рекомендованных режимов заряда и механические повреждения и старение аккумуляторов. Но основная причина — попытка повысить плотность хранения электроэнергии на единицу объема. Когда мы пытаемся запасти больше энергии в единице объема, мы всегда имеем риск неконтролируемого выхода этой энергии, независимо от способа сохранения энергии — порох, ракетное топливо, бензин, аккумулятор. У аккумуляторов удельная плотность хранения до недавнего времени была небольшой, при весе обычного свинцового автомобильного аккумулятора 12-13 кг и габаритах от 0,008 куб. м. до 0,012 куб. м. (для легковых машин) можно запасти энергии (очень очень грубо, для аккумулятора емкостью 60 А*час) 60А*12В*3600с=примерно 2,6 мДж, то в бензобаке емкостью 45 л (0,045 куб.м., т.е. примерно в 4,5 раза больший объем, чем у аккумулятора) можно запасти примерно 1520 мДж. Расчет очень грубый, но примерное соотношение можно оценить, у бензина плотность хранения энергии в 150 раз выше, чем у свинцовых аккумуляторов на единицу объема. У литий-ионных аккумуляторов удельная плотность энергии примерно в 5 раз выше, чем у кислотно-свинцовых (еще здесь), то есть примерно в 30 раз ниже, чем у бензина.

И тут возникает интересный вопрос. В абсолютных цифрах, большое количество энергии надо сохранять у электромобилей. По сути там   надо сохранять ту же тысячу мегаджоулей, что в бензобаке (хотя КПД и тяговые характеристики электродвигателей как правило лучше, чем у двигателей внутреннего сгорания). Но вот насколько безопасно хранить эту тысячу мегаджоулей в сравнительно небольшом объеме? Положение усугубляется тем, что строго говоря энергия не хранится в бензине. Для горения бензина, как и любого другого топлива, нужен так называемый треугольник огня, топливо, окислитель, источник возгорания. Автомобиль с ДВС не поедет на Луне, так как там нет атмосферы с кислородом. А энергия бензина выделяется именно при реакции бензина и кислорода, причем соотношение бензина и кислорода в смеси (Стехиометрический состав горючей смеси), должно быть строго определенным, при существенных отклонениях смесь просто не горит (у водителей есть такое выражение, залить свечи бензином). В старых автомобилях за состав смеси отвечал карбюратор, в новых инжектор. Грамотная конструкция топливопровода позволяет не создавать горючую бензвоздушную смесь нигде, помимо самого двигателя (кстати, поэтому полный топливный бак считается пожарно безопаснее, топливовоздушная смесь в нем слишком богатая для возгорания).

Но вот в аккумуляторе энергия хранится именно в нем и никакой окислитель ему не нужен. Все что нужно для пожара, там уже есть. Для короткого замыкания нужна просто деградация стенок между ячейками или перегрев. Причем этот процесс может носить лавинообразный характер при большой плотности ячеек, одно короткое замыкание выделит достаточно тепла для разрушения стенок уже других ячеек. По мере того, как количество электромобилей превысит статистическую погрешность, вопросы пожарной безопасности аккумуляторов могут выйти на первый план.

На данный момент известно о 5 случаях возгорания Тесла модель S, из них два из-за пробития днища (в котором и расположены аккумуляторные батареи), после чего на машину стали ставить защиту днища. Интереснейшая дискуссия на тему возгораний Тесла на гиктайме. Надо заметить, что у Теслы аккумулятор сделан очень грамотно и очень недешево (в разных источниках цены от 12 тысяч долларов до 45 тысяч долларов за батарею, но даже за 12 тысяч долларов в России можно купить приличную легковушку бюджетного уровня). Вот подробная разборка батареи, частичный перевод на русский язык. Видно, что сделана батарея из более чем 7 тысяч пальчиковых элементов, производства Panasonic, с большим сроком службы и низким саморазрядом. Между элементами есть место, для охлаждения батареи (или обогрева зимой, литий-ионные батареи плохо переносят холод). Но Tesla по сути премиумный продукт, по мере выпуска бюджетных электромобилей вопрос пожароопасности их батарей (причем, в отличие от бензобака, расположенных прямо под водителем и пассажирами) может встать очень серьезно.

 

Подписаться на дайджест новостей 360tech.ru