Причины возгораний литий-ионных АКБ
Обеспечение безопасной эксплуатации литиевых аккумуляторов – серьёзная проблема, над ней работают в разных странах мира. В частности, из открытых результатов исследований вызывают интерес анализы состояния аккумуляторов в случае перезаряда, короткого замыкания, механического повреждения и внешнего огневого воздействия. Особенностью является их весьма высокая пожароопасность и взрывоопасность. Самовоспламенение литий-ионных батарей – весьма распространённое явление. При этом тушение возгораний литиевых АКБ затруднено, а иногда и невозможно с использованием воды, водопенных или порошковых огнетушащих составов, поскольку очаг возгорания литий-ионных АКБ отличается очень высокой температурой.
Исследования проблемы постоянно проводятся как в международных компаниях, таких как FM Global, GWL, так и в России, к примеру, в корпорации «Росатом Химия», ОА «ТВЭЛ», компании «Элехим».
Особенности химических составов АКБ
Сегодня распространены литий-полимерный (Li-Pol); литий-никель-марганец-кобальт-оксидный (LiNiMnCoO2, NMC); литий-титанатный (Li4Ti5O12, LTO); литий-железо-фосфатный (LiFePO4, LFP) типы аккумуляторов. Литий-ионные элементы состоят из катода (оксид лития-кобальта, литий-железо-фосфат или оксид лития-марганца и литий-никель-марганец-кобальта в качестве положительных электродов) и анода (отрицательный электрод: пористый углерод), когда графит является наиболее часто используемым материалом.
Наибольшую пожарную опасность представляют Li-Pol- и NMC-аккумуляторы (рис. 1).
Параметры различных литий-ионных аккумуляторов приводят к выводу, что варианты исполнения LTO и LFP представляют наименьшую пожарную опасность.
На инфографике (рис. 2) показано распределение основных характеристик литий-ионных аккумуляторов.
В современных аккумуляторах количество «чистого» лития мало (2–3% от общей массы ячейки), в среднем 0,08 г на 1 Вт/ч энергии или 80 г на 1 кВт/ч. Такую массу называют эквивалентным содержанием лития (LEC).
На рис. 3 показано распределение состава аккумуляторной батареи электромобиля (тип NMC).
Аккумуляторные батареи электромобилей способны запасать номинальную энергию 40–100 кВт/ч, при этом их масса составляет 300–600 кг. Суммарная масса лития в таких батареях составит приблизительно 3,2–8 кг. Остальная масса батареи – это алюминий, графит, никель, медь, пластик и другие материалы.
В небольших АКБ суммарное содержание лития всех элементов не превышает 500 г, а номинальная энергия не более 6200 Вт/ч. Для небольших АКБ на 1 Вт/ч энергии приходится примерно 0,08 г лития.
Большинство литий-ионных батарей не имеет в своём составе пожароопасного металлического лития в чистом виде. Литий присутствует в виде солей (соединения, получаемые из карбоната лития) как часть электролита и катода (анода) аккумулятора. Растворы гексафтофосфата лития LiPF6 используются в электролите аккумуляторной батареи, оксид лития-кобальта (LiCO2) или феррофосфат лития (LiFePO4) – материал катода, а пентатитанат лития (Li4Ti5O12) – материал анода.
Механизм теплового разгона
Общий вид системы пожаротушения электромобилей разработки компании Rosenbauer показан на рис. 4.
На рис. 5 представлен принцип подачи воды на тушение батареи.
Распыление воды считается доступным экономичным и экологически безопасным способом тушения аккумуляторов, обеспечивает высокую эффективность охлаждения, подавляя процесс саморазгона соседних ячеек в аккумуляторной сборке и даже их взрыв. Пожары с участием литий-ионных аккумуляторов считают сложными ввиду повторных возгораний батарей. Это связано с тем, что стандартные способы тушения позволяют снизить температуру в месте горения и временно приостановить химическую реакцию с выделением тепла, но процесс тления во внутреннем корпусе повреждённых ячеек остановить полностью не удаётся.
В результате через некоторое время потушенный очаг вновь переходит в активную фазу горения. Однако тушение водой очага возгорания LFP аккумуляторов нежелательно, ибо в результате химической реакции гексафторфосфата лития LiPF6 с водой выделяется токсичный газ (фтористый водород HF) в диапазоне от 20 до 200 мг/Вт/ч номинальной энергоёмкости батареи.
Огнетушащие средства в виде сухих порошков, углекислого газа (СО2) и хладона (гептафторпропан или HFC-227) уменьшают последствия развития теплового разгона, но не препятствуют гарантированно повторному возгоранию. Сухие порошки для всех условий возгорания по классификации АBCE обладают менее выраженным охлаждающим эффектом, чем СО2 и HFC-227, а использование пены действительно охлаждает и изолирует поверхность горения, хотя и не обеспечивает длительную защиту из-за разрушения внутренних элементов за счёт выброса струй горючего газа при выгорании ячейки литий-ионных АКБ.
В сравнении с этим более надёжный способ – применение микрокапсул для самозатухания возгорания литий-ионных аккумуляторов в период их теплового разгона.
Способ апробирован введением термочувствительных микрокапсул в электролит и полиэтиленовый сепаратор АКБ, уже содержащих огнетушащее вещество Novec 7300 (HFE-7300) в виде жидкости, окружённой внешним слоем полиметилметакрилата (ПММА). При высокой температуре, превышающей 120°C, ПММА разрушается и высвобождает жидкость, активно поглощающую тепло. Это позволяет в критической ситуации снизить температуру литий-ионной ячейки до 74% от стандартного значения. Система по функционалу получила название микрокапсулирования.
Другим эффективным способом тушения литий-ионных АКБ стало применение водной дисперсии вермикулита (АVD) в виде мелких частиц размером менее 0,18 мм. Состав дисперсии в пропорции 17% вермикулита и 83% очищенной воды. При распылении состава АVD на литий-ионную ячейку вода охлаждает зону горения, а вермикулит моментально высыхает, образуя плёнку, отделяющую доступ кислорода в очаг возгорания. На рис. 6 представлен самый простой способ применения противопожарного полотна для тушения автомобиля, а также проиллюстрирован разный характер температурного нагрева очага возгорания – автомобиля до и после применения противопожарного полотна.
Существующие методы тушения и их эффективность
Для устранения имеющихся пробелов в нормативной литературе интересен опыт других стран по тушению очагов возгорания литий-ионных аккумуляторов. Во многих странах Европы, Северной Америки и в КНР проблема тушения литий-ионных пожаров обозначена остро. В разных странах применяют как свои стандарты, так и технические регламенты по требованиям пожарной безопасности и правила противопожарного режима. В стандартах, как правило, дано разграничение между большими и небольшими аккумуляторными сборками.
Горение элементов литий-ионных аккумуляторов рассматривают как возгорание «смешанных» классов: А (горение твёрдых веществ), B (горение жидких веществ); С (горение газообразных веществ); E (пожары электрооборудования, находящегося под напряжением).
Разные разработанные ранее способы тушения возгораний имеют специфические особенности и выбираются в зависимости от типа и количества литий-ионных аккумуляторов, условий эксплуатации, хранения и транспортировки. Для тушения литий-ионных аккумуляторов используют воду, водную дисперсию вермикулита (АVD), химические и сухие порошки (аэрозоли), углекислый газ (СО2), аэрозоли, пены–хладоны, специализированные составы HFC-227, Novec 1230, F-500, специальное гелеобразное огнетушащее вещество SB 1500 Plus производства России, применяемое в автоматических и ручных системах пожаротушения низкого и высокого давления, а также огнетушащие микрокапсулы.
Выбор типа и количества огнетушащего вещества зависит от размеров аккумуляторных сборок и их типов, особенностей хранения, транспортировки и области применения.
Среди приведённых в пример устройств применяют модули порошкового пожаротушения (МПП), «самосрабатывающие» автономные устройства в виде дисков и шарообразной формы с огнетушащим порошком, пожарные гранаты, порошковые огнетушители, противопожарные ампулы, срабатывающие без участия человека в виде стеклянных капсул (в том числе вбрасываемые). Они же позиционируются как автономные огнетушители с жидким составом в стеклянных цилиндрах. На рис. 7 представлен вид автономной ампулы BASTET объёмом 600 мл. Устройство применяют для ликвидации очагов возгорания и пожаров классов АBCE согласно классификации, раскрытой выше.
При возникновении возгорания в зоне расположения АКБ температура среды повышается, внутри ампулы с жидкостью происходит химическая реакция. Когда температура достигает 95°С, ампула лопается и выпускает огнетушащее вещество непосредственно в место возгорания. Часть вещества превращается в газ и работает комплексно: охлаждает зону горения и одновременно уменьшает концентрацию кислорода. На обработанной поверхности формируется тонкая плёнка, предотвращающая повторное воспламенение. Ампулы могут применять как отдельно для каждого АКБ, так и в модуле-сборке для пожарной безопасности нескольких АКБ (рис. 8).
Автоматические системы защиты
Среди устройств автоматического пожаротушения выделяют специальные средства.
Специальный огнетушащий состав LiSafe для тушения литийсодержащих аккумуляторов – готовый к применению раствор на основе растворов металлоорганических соединений.
Некоторые эксплуатационные характеристики:
- удельный вес (плотность) 1,1–1,3 г/см;
- pH 3,5–6,5 (слабокислый);
- динамическая вязкость при температуре 20°С – не более 2,5 сПз (сантипуаз; 1 сПз = 1 мПа·с);
- при подаче состава в очаг горения осуществляет эффективное тушение без кратковременной интенсификации горения и взрывов;
- жидкий состав сохраняет огнетушащие свойства при температуре окружающей среды от –10°С до +50°С не менее 5 лет;
- жидкость относится к IV классу опасности по ГОСТ 12.1.007-76.
Система «пожарной безопасности» АКБ в электромобилях активируется при достижении критических температур и испарений в местах размещения аккумуляторных батарей (рис. 9).
Модуль порошкового пожаротушения HighProp SNG01-87A представлен на рис. 10.
Компактное и автономное устройство для локального пожаротушения обеспечивает круглосуточную защиту в необслуживаемых помещениях. Монтируется непосредственно над аккумуляторными модулями. Активация полностью автономного устройства (без подключения к электросети или системам управления) происходит термомеханическим способом с помощью встроенного спринклерного датчика при достижении заданной температуры. При нагреве свыше +68°C жидкость в стеклянном резервуаре расширяется, что приводит к разрушению её колбы. Открывается клапан, и огнетушащее вещество под действием собственного давления распыляется непосредственно на очаг возгорания в защищаемой зоне с минимальным ущербом для окружающего пространства. Это обеспечивает эффективное решение для точечной защиты РЭА.
Кроме обеспечения противопожарной безопасности модулей АКБ это средство применяется для защиты от возгорания в серверных шкафах с телекоммуникационным оборудованием, в закрытых распределительных электрических щитах, силовых шкафах, трансформаторных нишах. Применение подобной технологии позволяет защитить оборудование и персонал в производственной сфере, станки с ЧПУ, промышленные электронные контроллеры, помещения с печами и жаровнями, в том числе при изготовлении продуктов питания, а также стеллажи с архивными документами в государственных, муниципальных, музейных учреждениях.
Некоторые технические характеристики:
- вместимость (масса ОТВ) порошка ABC – 12 кг;
- защищаемая площадь 5–6 м²;
- время выброса 12–18 с;
- рабочая температура от –30°C до +60°C.
Российские разработки в области безопасных материалов и средств пожаротушения
Создание и производство новых катодных материалов является перспективным направлением развития технологий аккумуляторных батарей. Внедрение таких материалов способствует повышению эффективности и безопасности аккумуляторов на всех этапах их жизненного цикла: от получения сырья и производства до эксплуатации и утилизации отработавших батарей. Развитие данных технологий создаёт основу для разработки более безопасных и надёжных технических решений, обеспечивающих эффективную эксплуатацию радиоэлектронной аппаратуры в будущем.
Инновация связана с изменением материалов (элементов) литиевой АКБ при производстве, а именно с получением (синтезом) высоковольтного кобальтата лития – ключевого материала для производства литий-ионных аккумуляторов большой мощности.
Со времён производства литиевых АКБ основным материалом в большинстве аккумуляторов, предназначенных для коммерческого использования, применялся оксид лития-кобальта (LCO) и никель-марганец-кобальт (NMC), а также фосфаты переходных металлов, содержащие литий.
В сравнении с прежними недавно полученный модифицированный материал для положительного электрода (катода) сохраняет ключевые преимущества классического кобальтата лития: стабильность при длительном циклировании (многократном повторении процессов зарядки и разрядки), хорошую ионную проводимость, высокую объёмную удельную плотность энергии и высокие значения коэффициентов диффузии лития. Это приводит к повышению надёжности как АКБ, так и всех модулей РЭА.
По своим свойствам кобальтат лития характеризуется высокой плотностью энергии, что позволяет увеличить продолжительность работы аккумуляторных батарей и повысить скорость их заряда. В отличие от ранее разработанных материалов, модифицированная кристаллическая структура и оптимизированный химический состав кобальтата лития обеспечивают повышение напряжения заряда аккумулятора. Это, в свою очередь, приводит к увеличению энергоёмкости элементов питания более чем на 15%.
Инновационная технология синтеза кобальтата лития, предназначенного для изготовления катодов высоковольтных литий-ионных аккумуляторов, расширяет возможности производства аккумуляторных батарей с высокой энергоёмкостью и мощностью. Такие аккумуляторы могут эффективно использоваться в электронных устройствах транспортного назначения, системах накопления электроэнергии, интегрированных с возобновляемыми источниками энергии (ветровыми, солнечными, гидроэнергетическими и другими), а также в радиоэлектронной аппаратуре аэрокосмической отрасли, для которой ключевыми требованиями являются компактность, высокая производительность и длительное время автономной работы. Применение новой технологии позволяет увеличить срок службы аккумуляторных батарей без снижения их мощности и энергоёмкости.
В мае 2026 года в России разработали опытную технологию получения высоковольтного кобальтата лития, а также удалось получить полимерный электролит в жидком состоянии, состоящий из гидрофильных солей лития (LiFSI) и растворителей на основе диметоксиэтана (DME) и полисилоксана (силикона). Такой состав позволяет предотвращать испарение электролита при высоких температурах (+100°C) и исключить его воспламенение. Немаловажное значение имеет формат упаковки аккумуляторных батарей при их хранении и транспортировке.
Перспективы развития отрасли
Проблема тушения литийсодержащих аккумуляторных батарей различных типов и размеров – от портативных электронных устройств до тяговых аккумуляторов электромобилей, электробусов, электросудов, а также широко распространённых электросамокатов и роботов-доставщиков – обусловливает необходимость разработки и внедрения новых технологий обеспечения пожарной безопасности.
Поскольку значительная часть катодных материалов для производства аккумуляторных батарей ранее импортировалась из КНР, создание собственного производства в России является важным шагом на пути к обеспечению технологического суверенитета. Внедрение новой технологии синтеза катодных материалов создаёт предпосылки для развития отечественной отрасли по производству материалов для аккумуляторных батарей. Одновременно разработка новых способов тушения литий-ионных аккумуляторов способствует совершенствованию первичных средств пожаротушения и автоматических систем противопожарной защиты, обеспечивая повышение безопасности их эксплуатации.
© СТА-ПРЕСС, 2026
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
