Почему тепловой выбег редок в литий-ионных аккумуляторах для потребительских устройств?

Инциденты с тепловым разгоном в потребительских батареях (например, литий-ионных батареях в мобильных телефонах, ноутбуках и других устройствах) встречаются относительно редко, в основном благодаря их консервативной конструкции, избыточным механизмам безопасности, контролируемым условиям использования и строгому отраслевому надзору.

1. Технический дизайн: консервативная стратегия снижает риски

• Малая ёмкость и низкая плотность энергии

Ограничения по ёмкости: элементы потребительских аккумуляторов обычно имеют ёмкость от 1000 мА·ч до 5000 мА·ч (например, аккумуляторы мобильных телефонов — примерно 3000–5000 мА·ч), что значительно ниже, чем у силовых аккумуляторов (например, аккумуляторные блоки электромобилей могут достигать 50–100 кВт·ч). Малоёмкие батареи выделяют ограниченное количество энергии при тепловом выбеге, поэтому даже в случае отказа они с меньшей вероятностью вызывают сильное горение или взрыв.

Баланс плотности энергии: для обеспечения баланса между безопасностью и сроком службы аккумулятора потребительские батареи часто используют проверенную систему с графитовым анодом и катодом из оксида лития-кобальта (LiCO) или тройного состава, а не кремниевый анод и катод с высоким содержанием никеля (например, NCM811/NCA), которые направлены на достижение предельной плотности энергии. Катоды LiCO обладают лучшей химической стабильностью по сравнению с материалами с высоким содержанием никеля, что снижает риск теплового выбега.

• Оптимизация конструкции и системы теплоотвода

Компактная конструкция: Устройства потребительской электроники имеют ограниченное внутреннее пространство, и аккумуляторы часто плотно интегрированы с материнской платой и модулем охлаждения. Производители используют такие решения, как графеновые радиаторы, трубки жидкостного охлаждения и тепловые трубки, чтобы ускорить отвод тепла и предотвратить локальный перегрев. Например, игровые смартфоны оснащаются многослойной системой теплоотведения для защиты аккумулятора от длительного воздействия высоких температур.

Взрывобезопасная конструкция: корпус аккумулятора изготовлен из самозатухающего материала PC/ABS, который может замедлить распространение огня даже при внутреннем возгорании; в некоторых устройствах вокруг аккумулятора размещают аэрогель или фазопереходный материал для поглощения тепла и изоляции от кислорода.

• Технология предохранительного клапана и диафрагмы

Предохранительный клапан: когда внутреннее давление в аккумуляторе становится слишком высоким (например, на ранних стадиях теплового пробоя), предохранительный клапан разрушается и выпускает газ, предотвращая взрыв.

Сепаратор с керамическим покрытием: на поверхность традиционного полиэтиленового (PE) сепаратора наносится керамический слой для повышения устойчивости к высоким температурам. Даже в случае локального короткого замыкания сепаратор не будет быстро сжиматься и вызывать контакт между положительным и отрицательным электродами, тем самым предотвращая цепную реакцию теплового разгона.

2. Механизм безопасности: многократный резервированный дизайн защиты

• Совершенствование системы управления батареей (BMS)

Защита от перезаряда/глубокого разряда: когда напряжение батареи приближается к 4,35 В (порог перезаряда), BMS отключает зарядную цепь; когда напряжение ниже 2,5 В, разряд запрещается для предотвращения повреждения батареи.

Контроль температуры: встроенный датчик температуры осуществляет непрерывный мониторинг температуры батареи. Когда температура превышает 45 °C, активируется охлаждение (например, снижение мощности зарядки) или подаётся сигнал тревоги. При слишком высокой температуре (например, выше 60 °C) питание отключается напрямую.

Ограничение по току: при слишком большом токе разряда (например, при коротком замыкании) система управления батареей (BMS) срабатывает механизм предохранителя или ограничивает выходную мощность, чтобы предотвратить перегрев, вызванный перегрузкой по току.

• Консервативная стратегия быстрой зарядки

Быстрая зарядка потребительских аккумуляторов обычно осуществляется поэтапно (например, сначала постоянным током, затем постоянным напряжением), а после достижения уровня заряда 80 % переходит на капельную зарядку, чтобы уменьшить накопление тепла.

Ограничение мощности зарядки: например, мощность быстрой зарядки мобильных телефонов в основном составляет от 20 до 100 Вт, что намного ниже, чем у электромобилей — 150 кВт и выше, что снижает риск теплового пробоя.

• Повышенная огнестойкость материалов

Добавление во внутрь электролита антипиренов (например, фосфатов) для подавления реакции горения;

Поверхность материала положительного электрода покрыта инертным слоем, таким как оксид алюминия (Al₂O₃), чтобы уменьшить побочные реакции с электролитом и снизить выделение тепла.

3. Сценарий использования: контролируемая среда и стандартизированные операции

• Щадящие условия эксплуатации

Устройства потребительской электроники, как правило, используются при комнатной температуре (0–40 °C) и редко подвергаются воздействию экстремально высоких температур (например, внутри автомобиля под прямыми солнечными лучами) или низких температур. В отличие от них, силовые аккумуляторы должны работать в широком диапазоне температур от -30 °С до 60 °С, что повышает риск теплового разгона.

• Требования к режиму зарядки

Пользователи, как правило, используют оригинальное зарядное устройство (с соответствующей выходной мощностью), чтобы избежать перезаряда или превышения напряжения;

Избегайте длительной зарядки ночью: многие устройства (например, мобильные телефоны) автоматически прекращают зарядку после полного заряда, что уменьшает время, в течение которого батарея находится в полностью заряженном состоянии (у полностью заряженной батареи высокая химическая активность и немного повышенный риск теплового разгона).

• Полная физическая защита

Конструкция корпуса устройства предусматривает защиту от падений (например, утолщённые рамки телефона и усиленные углы), чтобы снизить риск короткого замыкания аккумулятора из-за механических повреждений.

Предотвращение проникновения металлических посторонних предметов в аккумулятор: пользователи обычно не помещают металлические предметы, такие как ключи, в непосредственный контакт с аккумулятором, что снижает вероятность короткого замыкания.

4. Отраслевой контроль: строгие стандарты и ответственность

• Международная сертификация безопасности

UL 1642: проверяет безопасность аккумулятора в экстремальных условиях, таких как перезарядка, короткое замыкание, сдавливание и прокалывание;

IEC 62133: Устанавливает требования к характеристикам аккумуляторов при высокой температуре, низкой температуре, вибрации и других условиях;

GB 31241: Обязательный стандарт Китая, устанавливающий время распространения пламени после теплового пробоя аккумулятора (должно быть ≤30 секунд).

Бытовые аккумуляторы должны пройти сертификацию по стандартам UL, IEC, GB и другим, например:

• Система отзывов и ответственности

Если аккумуляторы определённого бренда часто подвергаются тепловому пробою, производитель обязан организовать отзыв (как в случае с Samsung Galaxy Note 7) и нести юридическую ответственность. Это давление вынуждает компании строго контролировать качество, обеспечивая соблюдение норм безопасности на каждом этапе — от закупки сырья до производства.

5. Сравнение тяговых аккумуляторов: почему выше риск теплового пробоя?

• Большая ёмкость и высокая плотность энергии

Аккумуляторные блоки состоят из тысяч элементов, соединенных последовательно или параллельно. Суммарная энергия каждого элемента усиливает разрушительную силу теплового пробоя. Например, аккумуляторная батарея Tesla Model 3 имеет емкость около 75 кВт·ч, а выделяемая энергия при тепловом пробое эквивалентна 15 кг тротила.

• Сложные условия эксплуатации

Электромобили сталкиваются с множеством вызовов, таких как высокие и низкие температуры, вибрация и столкновения. Обеспечить одинаковое состояние элементов аккумулятора трудно, локальное старение или повреждение может вызвать цепную реакцию.

• Требования к быстрой зарядке и высокой мощности

Аккумулятор должен поддерживать быструю зарядку более чем на 150 кВт. Зарядка и разрядка высоким током вызывают неравномерное распределение температуры внутри элемента аккумулятора, увеличивая риск теплового пробоя.

6. в заключение

Термический выбег встречается реже в потребительских аккумуляторах, что является результатом консервативного технического проектирования, избыточных механизмов безопасности, контролируемых сценариев использования и строгого отраслевого надзора.