Jak efektivně eliminovat rizika při provozu Li-Ion bateriových systémů

Úvod

Rozvoj mobilních i stacionárních aplikací sebou nese zvyšování počtu instalací bateriových systémů. Bateriové systémy jsou ve své fyzikálně-chemické podstatě zásobárnou energie a je tedy potřeba jim věnovat náležitou pozornost především ze strany bezpečnosti, tedy eliminace nahodilého a nekontrolovatelného úniku energie. V článku se budeme věnovat právě identifikaci a následně doporučením pro eliminaci těchto rizik.

Baterie jako zdroj energie

Baterie se skládá z elektrochemických článků. Pojem článek a baterie je často zaměňován, například „tužková baterie“ je ve skutečnosti článek rozměrů R6 (AA). Článek se skládá z obalu, kolektorového systému, elektrodového systému, elektrolytu a separátoru. V dalším textu budeme články uvažovat za takřka ideální, tedy se zanedbatelnou ztrátou energie samovybíjením a s velmi vysokou účinností akumulace.

Kolektorový systém článku se skládá z vodičů prvního druhu, což jsou především kovy a z nekovových materiálů uhlík. Cílem kolektoru je zajistit kontaktování aktivní hmoty elektrod. V článku je kolektor nutný především v případě, že vlastní aktivní materiál má sníženou vodivost (například oxidy manganu) nebo není na vzduchu stálý (lithium). V případě, že je aktivním materiálem například měď, není nutné kolektor vytvářet a elektrická energie je z článku odváděna pomocí samotné elektrody.

Elektroda je tedy složena z aktivního materiálu. Každý článek má elektrody dvě, kdy jedna je označována jako anoda a druhá jako katoda. Elektrody musí být z různých materiálů, aby mohlo v elektrochemickém systému dojít k vytvoření rozdílů elektrochemických potenciálů.

Přenos náboje mezi elektrodami při procesech nabíjení a vybíjení zajišťuje elektrolyt, který je vodičem takzvaně druhého druhu. Elektrolytem bývají často vodné roztoky solí, organické roztoky nebo vodné roztoky kyseliny nebo hydroxidu.

Aby se zamezilo vnitřnímu zkratu – tedy vodivému propojení kolektorů, popřípadě elektrod, je v systému instalován separátor. Úkolem separátoru je umožnit průchod iontů a zároveň zajistit elektrickou izolaci anody od katody. Samotný separátor je většinou plastová fólie s mikrootvory pro průchod iontů. V některých případech je jako separátor použit i jiný izolační materiál, například keramika.

Obal článku musí zajistit celkovou mechanickou soudržnost celého systému, eliminovat možné úniky aktivního materiálu či elektrolytu. V případě požadavků na hermetičnost obalu musí zároveň zajistit možnost případného odvětrání při nárůstu tlaku uvnitř. Nejčastěji se používají plastové nádoby, případně nádoby nerezové. V minulosti byly používány i nádoby z tvrdé gumy (autobaterie) nebo nádoby skleněné (u staničních otevřených baterií).

Obr. 1. Vnitřní struktura lithiové baterie s vyznačením míst možných zkratů

Rizika a jejich analýza

Současné poznatky na poli bezpečnosti kladou velký důraz na eliminaci rizik pomocí takzvané analýzy rizik. Jedna z metod používaných v analýze rizik postupuje podle následujících kroků:
popis rizika -> určení jeho závažnosti -> určení vhodných nástrojů k eliminaci rizika -> aplikace nástrojů -> vyhodnocení účinnosti nástroje

Po zavedení (aplikaci nástrojů) na eliminaci rizika vždy musí následovat vyhodnocení a na jeho základě se spouští opět popis modifikovaného rizika. Analýza je tak nikdy nekončícím procesem s cílem snižování rizik na hodnoty blízké nule. Nicméně jeden ze základních zákonů analýzy rizik říká, že nulového rizika nelze dosáhnout.

V tomto článku se zaměříme na nejčastější rizika elektrochemických zdrojů a to:

Rizika chemická

Určení rizika

Jako chemická rizika lze u baterií vnímat rizika spojená s poleptáním kyselinou nebo zásadou, dále jedovaté látky a riziko neřízené chemické reakce. Z hlediska klasifikace nejběžnějších typů článků jsou rizikovými zejména:
– zředěná kyselina sírová – poleptání (Pb články),
– roztok hydroxidu draselného s hydroxidem lithným
– poleptání (NiCd články),
– olovo – otrava, dlouhodobé působení v životním prostředí (Pb články),
– kadmium – otrava, dlouhodobé působení v životním prostředí (NiCd články),
– organické elektrolyty lithiových baterií – otrava, toxické zplodiny (Lithiové články),
– lithium (kov) – prudká oxidace na vzduchu (Lithiové články).

V praxi je pomocníkem pro určení těchto rizik takzvaný bezpečnostní list. Ten lze získat na vyžádání od výrobce článku.

Závažnost rizik

Každé riziko je nutné posoudit z pohledu jeho dopadu na okolí. Zvláštní pozornost je potřeba věnovat rizikům s následky na životech a velkým škodám na majetku. Tato rizika dostávají v analýze přednost a jsou eliminována jako první. Je potřeba si uvědomit, že je technicky nemožné zabránit všem rizikům a je to i neekonomické. Vždy tedy zbyde jakási přijatelná míra rizika, byť v ideálním stavu by tato míra měla být blízká nule. V případě rizik chemických je na prvním místě prudká chemická reakce, která aktivně vyvrhuje chemickou látku do okolí baterie, dále pak rizika spojená s vývinem jedovatého nebo výbušného plynu. Méně závažnými riziky je malý únik elektrolytu nebo menšího množství aktivní látky. Například starý olověný akumulátor umístěný na skládce TKO místo jeho recyklace je rizikem pro životní prostředí, ale dopady tohoto rizika jsou menší než výbuch vodíku při přebíjení akumulátoru.

Rizika energetická

Určení rizika

Bateriové systémy jsou charakterizovány jako zdroje s malou vnitřní impedancí, tedy schopné dodávat velké proudy. V případě nízkonapěťových baterií (do cca 28 V) nedojde při zkratu k hoření oblouku a hlavním rizikem je tak vývin tepla ohmickými ztrátami při průchodu zkratového proudu. I relativně malá baterie má schopnost dodat do nízkoimpedančního zkratu proudy řádů stovek ampér. Při zkratech na bateriích s větším napětím se k riziku přidává hoření oblouku s jeho velkým tepelným výkonem.

Další energetická rizika:
– Vnitřní zkrat – k vývinu tepla dochází uvnitř obalu baterie, vývin tepla je doprovázen rychlým zvýšením tlaku uvnitř systému.
– Rozpad separátoru, chyba zpracování separátoru – při překročení maximální dovolené provozní teploty baterie může dojít k degradaci separátoru a následně k vnitřnímu zkratu. Pokud je separátor tvořen tenkou fólií, může dojít při chybě zpracování článku k jeho mechanickému poškození, jak tomu bylo např. v případě mobilních telefonů Samsung.
– Vnější zkrat – zkrat na svorkách nebo v instalaci systému připojeného k baterii. V důsledku zkratu může dojít k zvýšení teploty baterie.
– Uvolnění elektrochemické energie v důsledku mechanické poruchy článku – v podstatě se jedná o vnitřní zkrat způsobený promícháním (spojením) vnitřních aktivních materiálů v článku, například průnikem cizího tělesa.

Množství uvolněné energie je v přímé vazbě na kapacitu baterie. Pro hodnocení rizik tak hraje roli velikost baterie. Pro potřeby některých analýz se například u Lithiových baterií hodnotí i obsah lithia a regulační opatření jsou následně podřízena právě této hodnotě. Například v letecké přepravě.

Obr. 2. Definice rizikových míst u baterie

Závažnost rizik

Nejvyšší stupeň rizika mají vnitřní zkraty, které způsobí nárůst tlaku a roztržení článku, případně jeho požár. Nižší je riziko zkratů vnějších, kdy často dojde k vývinu tepla mimo prostor baterie a zkrat je možno rozpojit pomocí ochranného přístroje (pojistky). Paradoxně také poruchy způsobené proděravěním článku „Battery Nail Penetration Test“ mají často menší důsledky než zkraty vnitřní a to z důvodu, že vzniklým otvorem dojde k vyrovnání tlaků uvnitř baterie a únik elektrolytu je směrován v ose otvoru.

Výrazný vliv na velikost rizika tak má celkové napětí bateriového systému, kapacita a chemické složení článku.

Rizika mechanická

Určení rizika

Mechanická rizika spojujeme především s velkou měrnou hustotou bateriových systémů a tím i velké hmotnosti článků a baterií. Jedná se o úrazy způsobené pádem baterie. Případně může při pádu baterie dojít ke ztrátě integrity krytu nebo poškození vývodů s následným únikem elektrolytu a vznikem energetického či chemického rizikového stavu baterie. Dalším rizikem je poškození vnitřní struktury baterie v důsledku otřesů u mobilních aplikací.

Závažnost rizik

Závažnost rizika roste u mobilních systémů a u systémů s vyšší hmotností. V případě poškození vnitřní struktury dochází často k vnitřnímu zkratu, nebo naopak k rozpojení obvodu baterie.

Eliminace rizik

Eliminacechemického rizika

Bateriové systémy je vhodné konstruovat jako dvouplášťové, kdy vnější plášť zajištuje ochranu před únikem chemických látek do okolí. V případě úniků elektrolytu jsou obecně odolnější baterie s gelovým elektrolytem nebo systémy se sníženým obsahem elektrolytu. Dalším velice účinným, i když často obtížně realizovatelným postupem eliminace rizika je výběr vhodných materiálů pro konstrukci článku. Jako příklad lze uvést náhradu NiCd článků (jedovaté kadmium) články NiMH. U obecně jedovatých kovů (například olovo) je velice důležitým prvkem eliminace rizik zajištění dostatečně robustního systému sběru použitých baterií a jejich recyklace.

Eliminaceenergetického rizika

Eliminace vnitřních zkratů je záležitostí kvality výroby článků a také kvality jednotlivých materiálů. Především separátorů a elektrod. Negativně se na riziku plynoucím z poškození projevuje velikost článku. Čím má jednotlivý článek větší kapacitu, tím více energie je při jeho poškození uvolněno a tím i stoupá ohrožení okolí. Z tohoto hlediska jsou výhodnější systémy složené z většího množství malých článků, ale jen za předpokladu, že je účinně zabráněno vzniku lavinového efektu, kdy jeden článek ovlivňuje druhý. Pro eliminaci energetických rizik je také důležité vybavit články a baterie vhodnými jisticími prvky. Často používaným systémem je využití „poly- -fuse“ (PTC) prvků integrovaných přímo do článku. U tavných pojistek a jističů vnějších obvodů může být problémem vznik vysokoimpedančního zkratu, který nedokáže splnit proudovou vypínací podmínku. Při takovém zkratu je často místo zkratu intenzivně zahříváno průchodem proudu, ale vzniklý proud nedostačuje k vybavení pojistky. Tento jev je nebezpečný především v systémech s nižším napětím (do 48 V). Často je proto do ochrany před zkratem, ale i podbíjením a přebíjením zapojen systém BMS, který kontroluje chování obvodu a v případě problémů baterii odpojí.

Eliminace mechanického rizika

Toto riziko lze eliminovat velmi účinně pomocí vhodné mechanické konstrukce baterie s dostatečnou odolností. Z hlediska odolnosti je potřeba u bateriového systému hodnotit nejen statickou odolnost systému, ale i dynamické síly působící u mobilních aplikací při provozu a u aplikací stacionárních během přepravy baterie na místo určení. Použitá konstrukce také musí odolávat po stanovenou dobu i působení ohně a zajištovat dostačené krytí proti prachu a vodě.

Elektromobilita

Z hlediska působení okolního prostředí na bateriový systém zastává elektromobilita velmi specifické místo. Baterie jsou během provozu značně namáhány a hrozí mnohem větší paleta rizik než u systémů stacionárních. V závěru článku tedy provedeme jednoduchou analýzu rizik i v tomto specifickém případě užití.

Analýza rizika

Za hlavní rizikový faktor elektromobilu lze považovat vibrace vznikající při jízdě vozidla. Tyto vibrace se přenášejí na bateriový systém a mechanicky působí na elektrody, spoje a konstrukci bateriových paketů. Zrychlení při otřesech je značné a jejich dopad může být z dlouhodobého hlediska devastující (únavové lomy). Dalším rizikem je provoz v širokém rozsahu teplot, kdy v zimních měsících je baterie vystavena teplotám hluboko pod bodem mrazu, navíc s výrazným chladícím efektem od proudícího vzduchu. V letních měsících je zase baterie tepelně přetěžována v důsledku ohřevu vzduchu od povrchu vozovky. V neposlední řadě jsou zde přítomna rizika způsobená dopravní nehodou, kdy dochází k výrazné mechanické deformaci celého systému.

Eliminace rizik u elektromobilů

Bateriové systémy je nutno konstruovat jako uzavřené v odolné schránce, která není integrována příliš těsně do konstrukce vozidla. Deformační zóny vozidla musí chránit nejen posádku, ale i baterii. Důraz je potřeba klást na distribuci tepla a chlazení baterie. Odolnost vůči otřesům vyžaduje u baterie často změny konstrukce. Tento problém je zvláště palčivý v případě menších mobilních aplikací (elektrokola, koloběžky …) kde jsou často využívány nevyhovující baterie, případně baterie netestované na otřesy. Důvodem je mírnější legislativní proces, případně úplně chybějící homologační proces.

Závěrečné hodnocení

Bateriové systémy představují kombinovaná rizika pro své okolí, eliminace těchto rizik je závislá především na pečlivosti a kvalitě prováděných opatření. Vlastní opatření by se naopak nemělo stát rizikovým faktorem. Většina výrobců baterií má tato rizika dobře zvládnutá, nicméně velký podíl na zvýšení rizika mají neodborně provedené instalace bateriových systémů. Analýza rizika by měla patřit vždy k základním postupům při návrhu každého, nejen bateriového, systému.

Ing. Pavel Hrzina, Ph.D., Katedra elektrotechnologie,
Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze.