Akumulatory Litowe.
W przypadku akumulatorów litowych również funkcjonuje pewien skrót myślowy polegający na tym, że mówimy o tych akumulatorach „litowo-jonowe” a nie wszystkie takie są. W przypadku akumulatorów litowych możemy się spotkać z dwoma rodzajami: litowo-jonowe ze skrótem Li-Ion oraz litowo-polimerowe: LiPO lub Li-Poly. Scharakteryzujmy krótko czym są jedne, a czym drugie.
Akumulatory litowo-jonowe, to ogniwa litowo-kobaltowo-tlenkowe. Nominalne napięcie pojedynczego ogniwa wynosi 3,60 V i można nim bezpośrednio zasilać drobne urządzenia elektroniczne takie jak telefony komórkowe, tablety i aparaty cyfrowe. Jest to duże uproszczenie i redukcja kosztów w porównaniu do konstrukcjami wieloogniwowymi. W akumulatorze litowo-jonowym jedna z elektrod jest wykonana z porowatego węgla, a druga z tlenków metali, zaś rolę elektrolitu stanowi ciecz zawierająca sole litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników lub ciało stałe.
Akumulator Li-Ion. Źródło : www.lithiumbatterychina.com
Ten typ akumulatora pozwala na skumulowanie dwa razy więcej energii niż w akumulatorach NiMH o porównywalnych masach i rozmiarach. Akumulatory litowo-jonowe są obecnie jednymi z najlżejszych rozwiązań na rynku i z tego względu są tak powszechnie stosowane. Ponadto nie występuje w nich „efekt pamięci”. Największą ich wadą jest konieczność stosowania obwodów ochronnych, aby zapobiec ewentualnemu samozapłonowi czy wybuchowi podczas ładowania (o tym w dalszej części artykułu). Cechą charakterystyczną tego typu ogniw są stałe, twarde obudowy.
Miękkie obudowy, a właściwie pakiety ogniw, podobne do foliowych woreczków strunowych, to cecha charakterystyczna drugiego rodzaju akumulatorów litowych funkcjonujących równolegle na rynku czyli akumulatorów litowo–polimerowych. Co ciekawe, prawidłowo powinno się używać terminu polimer litowo-jonowy lub polimer litowy. Do budowy tych akumulatorów wykorzystywane są stopy metalicznego litu oraz polimery przewodzące. Akumulatory Li-PO można budować w konfiguracjach Li-kobalt, NMC, Li-fosforan oraz Li-mangan. Jednak większość baterii jest na układach litowo-kobaltowych. Zasada działania jest podobna do akumulatora litowo-jonowego. Wykorzystywanie polimerów umożliwia konstruowanie giętkich, bardzo cienkich i elastycznych ogniw o grubości nawet kilku milimetrów. Wadą jest fakt, że takie ogniwa nie są odporne na niewielkie nawet przeładowanie. Bardzo łatwo je uszkodzić, dlatego muszą być stosowane układy elektroniczne kontrolujące proces ładowania. Ponadto polimer w temperaturze pokojowej ma słabą przewodność, więc w celu ładowania należy podgrzać akumulator do temperatury 50 – 60°C. Więcej o problematyce ładowania piszę w dalszej części artykułu.
Akumulator Li-PO. Źródło : www.soselectronic.com
Generalnie technologia akumulatorów litowych cały czas się rozwija, ale ich największym wrogiem jest temperatura oraz uszkodzenia mechaniczne – nawet bardzo drobne np. pęknięcia. Jest to kluczowe zagadnienie w czasie transportu i przechowywania. Należy stale prowadzić monitoring temperatury ponieważ przy zbyt wysokiej temperaturze mogą się zapalić i wybuchnąć. Zwarcie akumulatora może spowodować zapłon lub eksplozję. W kwestiach transportowych należy pamiętać, że akumulatory litowe podlegają przepisom ADR. Zagrożenia związane z przechowywaniem są wielowymiarowe i zależą od wielkości i ilości akumulatorów. Jako Warta Risk Service do każdego przypadku podchodzimy indywidualnie. Oczywiście są wspólne mianowniki, jak np. wydzielenia pożarowe przestrzeni magazynowej. Dotyczy to wszystkich rodzajów magazynów: od małych szafek na elektronarzędzia z akumulatorami litowymi na magazynach wysokiego składowania kończąc. Na rynku są dostępne dedykowane rozwiązania – szafy, kontenery dla przechowywania akumulatorów litowych. Celem tej rekomendacji jest ograniczenie ewentualnego pożaru do obszaru magazynu, a nie jego rozprzestrzenienia się na pozostałe części zakładu.
Jako Warta Risk Service rekomendujemy standard REI 120. Wynika to z faktu bardzo intensywnego przebiegu procesu spalania tych akumulatorów. Podstawowym problemem przy akumulatorach litowych jest brak skutecznych środków gaśniczych oraz to, że akumulatory litowe nie potrzebują tlenu do palenia. Na ten moment jedynym skutecznym działaniem jest maksymalne chłodzenie palącego się akumulatora najlepiej poprzez zatopienie go w zbiorniku z wodą. Jak na razie jest to jedyna metoda na opanowanie zagrożenia oraz zabezpiecza otaczające mienie. Z oczywistych względów nie wszędzie można ją zastosować, jest to rozwiązanie dla pojedynczych akumulatorów np. znajdujących się w urządzeniu lub pojeździe. W przypadku większych magazynów rekomendujemy stosowanie się do wytycznych VdS 3856en (Ochrona tryskaczowa baterii litowych), gdzie między innymi w pkt 4.2 mamy zawarte następujące informacje. Cytuję:
4.2.1 Urządzenia z bateriami litowymi
Poniższe informacje dotyczą urządzeń z wbudowanymi bateriami litowymi — stałymi lub wymiennymi (np. elektronarzędzia, zautomatyzowane kosiarki do trawy). Urządzenia te często składają się w dużej
mierze z tworzyw sztucznych i/lub są pakowane w produkty z tworzyw sztucznych (np. plastikowe pudełko na wkrętarkę akumulatorową).
Możliwa koncepcja ochrony jest następująca:
- wszystkie urządzenia znajdują się w wodoodpornych opakowaniach
- niedozwolone są akumulatory napędowe do samochodów
- zmagazynowana energia na jednostkę magazynowania (np. paletę) nie może przekraczać 50 kWh (max. HL II wg Tabeli 1)
- składowanie w regałach: projekt wg VdS CEA 4001, K.7.1 (Tabela K.7-1, kategoria IV) — zabezpieczenie tryskaczowe na każdym poziomie regału
- składowanie blokowe: projekt wg VdS CEA 4001, HHS4 + K.7
Magazyny mieszane (np. centra dystrybucji towarów w sieciach magazynowych) podlegają ochronie opisanej powyżej.
4.2.2 Przechowywanie baterii
Możliwa koncepcja ochrony skoncentrowanego przechowywania baterii litowych jest następująca:
- wszystkie akumulatory znajdują się w opakowaniach odpornych na zalanie
- akumulatory napędowe do samochodów są niedozwolone
- zmagazynowana energia na jednostkę magazynowania (np. paletę) nie może przekraczać 50 kWh (max. HL II wg Tabeli 1)
- wymagania te są niezależne od stanu naładowania (SOC)
- przechowywanie w regałach:
- wykonanie wg VdS CEA 4001, 11,5 + K.7 (kat. IV)
- zabezpieczenie tryskaczowe na każdym poziomie półki
- poziome przegrody blaszane nad każdym poziomem tryskaczy zgodnie z VdS CEA 4001, 11.6.2.5.2
- tryskacze czołowe należy zainstalować w każdym poprzecznym kanale spalinowym oprócz tryskaczy w centralnym kanale spalinowym
- składowanie blokowe:
- maksymalnie 20 m bloki
- 2,4 m odstępu pomiędzy blokami
- maks. wysokość składowania 1,5 m
- projektowana intensywność zraszania 17,5 mm/min
- zraszacz szybkiego reagowania K160
- maksymalna wysokość stropu: 12 m
Na tym kończymy cytat z wytycznych.
Ładowanie akumulatorów litowych.
Należy pamiętać, że proces ładowania co do zasady jest niebezpieczny, ponieważ podczas ładowania ogniwa rozgrzewają się, a to może doprowadzić do pożaru lub wybuchu. Ponadto, musimy pamiętać, że akumulatory litowe nie tolerują przeładowania. Wszystko to narzuca ładowarkom surowe reżimy pracy. W zależności od materiału, z którego jest zbudowany każdy akumulator, istnieją inne parametry ładowania. Jeżeli katoda jest wykonana z kobaltu, niklu, manganu i glinu, ładujemy ją napięciem do 4,20 V/ogniwo. Tolerancja jest bardzo wąska i wynosi +/− 50 mV/ogniwo. Niektóre odmiany akumulatorów niklowych ładujemy napięciem do 4,10 V/ogniwo. Najnowsze ogniwa dopuszczają 4,30 V/ogniwo. Standardowo, aby nie przekroczyć maksymalnego napięcia i nie przegrzać ogniwa, ładowanie jest dwustopniowe: na początku większym prądem, a następnie mniejszym około 10 – 15 % pierwotnego. Przeważnie podczas całego procesu ładowania akumulatory są dodatkowo chłodzone. Jako Warta Risk Service rekomendujemy aby obszary, w których są ładowane akumulatory litowe były wydzielone pożarowo (minimum REI120), przy mniejszych akumulatorach można rozważać stałą obecność w tym obszarze zbiorników do zatopienia baterii. W przypadku większych jednostek należy rozważyć możliwości ewakuacji takiego akumulatora z wnętrza obiektu – możliwość wyciągnięcie go na zewnątrz, na przykład poprzez montaż dodatkowych drzwi w ścianie zewnętrznej akumulatorowni lub wydzielenie miejsca ładowania w pobliżu istniejących drzwi lub bramy. Tak jak wspominałem zagrożenia wynikające z masowego stosowania akumulatorów litowych są młodym problemem, z którym wszyscy się mierzymy. Jako Warta Risk Service jesteśmy w trakcie opracowywania wytycznych dla tego typu zagrożeń. Liczymy, że spotkają się z tak samo dużym zainteresowaniem, jak miało to miejsce w przypadku rekomendacji dla fotowoltaiki.
Jeśli macie jakieś dodatkowe pytania, to zapraszam do kontaktu z Bartłomiejem Bobrowskim z Biura Oceny Ryzyka Technicznego: bartlomiej.bobrowski@warta.pl.
