[Из песочницы] Перспективы электромобилей с точки зрения безопасности
На сегодняшний день наблюдается повышенный интерес к уменьшению загрязнения окружающей среды. Кроме возобновляемых источников питания, как замену традиционной энергетике, рассматриваются различные варианты замены двигателей внутреннего сгорания в автомобилях, как источника локального загрязнения.Здесь уже ранее обсуждалась тема электромобилей:
Современные электромобили — история от истоков к горизонтамИспользование батарей после окончания срока службыПроизводство аккумуляторов компанией ТеслаБлижайшее будущее аккумуляторных батарей
Но настолько ли это хорошая идея с точки зрения безопасности?
Существующие проблемыНа сегодняшний день в автотранспортной отрасли наиболее часто применяются одна из трех технологий аккумуляторов: свинцово-кислотные аккумуляторы, литий-ионные аккумуляторы и суперконденсаторы.Очевидным является, что на данный момент по соотношению энергия/масса являются именно литий-ионные аккумуляторы.
Стабильность Теоретическим пределом напряжения современного блока в формате 18650 является 4,2 В, но ни один аккумулятор не позволяет использовать его. Проблема в том, что при понижении ниже безопасного уровня возникает так называемое Lithium plating (металлизация лития) — образование проводящих участков из лития, что приводит к внутреннему короткому замыканию и, как следствие, к тепловому разгону аккумулятора (thermal runaway). Подобная ситуация может возникнуть также при сильном понижении температуры. При превышении же напряжения возникает температурная нестабильность ячейки, что также приводит к ее разрушению.Таким образом возникает необходимость в ограничении напряжений сверху и снизу, в том числе и потому что при производстве есть некоторый разброс по характеристикам.
На сегодняшний день самыми безопасными в данном отношении считаются аккумуляторы с напряжениями ячейки 2,1 В с электродами LTO и LiFePO4, но за безопасность приходиться платить снижением напряжения, а значит и доступной энергии, в два раза.
Ударопрочность Второй главной проблемой является прочность аккумуляторов при столкновениях, поскольку ДТП всегда были, есть и будут. Проблема всех таких аккумуляторов, что при их разрушении возникает возгорание, которое можно потушить исключительно с использованием спецсредств.Как правило, при пробивании гвоздем литий-ионных аккумуляторов формфактора 18650 до 80% случаев происходит самовозгорание. В этом проблема автомобиля Тесла — для его питания используется более 6000 подобных аккумуляторов.
Производство Третей проблемой, которая не имеет решения на данный момент, является качество производства аккумулятора. Проблемы с ним могут возникнуть независимо от эксплуатации, просто попаданием инородных тел в сам аккумулятор.Самые яркие примеры, которые показали проблемы литий-ионных аккумуляторов, это проблемы с Боингом-777 и Делл. Во втором случае они были просто заменены на аналогичные.Первый же является более ярким примером. Компания Боинг выступила пионером в использовании литий-ионных аккумуляторов в самолетах. Аккумулятор использовался не стандартный, большего размера. Из-за теплового разгона произошел взрыв, все самолеты потеряли допуск к полетам в январе 2013. После заявления о решении проблемы самолеты были вновь допущены к полетам в апреле 2013. В январе 2014 произошло возгорание аккумулятора. В целом «решением» Боинга было установка аккумулятора в укрепленный отсек, таким образом при проблеме с аккумулятором остальной самолет не задевается. Проблема так и не была решена, поскольку это физически невозможно на данном этапе развития техники.
На сегодняшний день произошло три возгорания автомобиля Тесла вызванные проблемами при производстве аккумуляторов.
Выводы Надежность аккумуляторов на сегодняшний день является недостаточной для массового применения аккумуляторов. На ближайшее время они так и останутся недешевой альтернативой, но со временем удешевление производства увеличит их число. И по пессимистичному сценарию вопрос безопасности применения данного автомобиля будет лежать на плечах владельца.В целом же, безопасность аккумуляторов весьма важный фактор, о котором не нужно забывать и тем, кто пользуется ими в ноутбуках и мобильных телефонах. Весьма вероятно, что без развития автомобильной промышленности и внедрения их в транспорт эти вопросы не стояли бы так остро.
Источники 1. Курс «Battery Storage Systems», RWTH Aachen, Prof. Dr. rer. nat. Dirk Uwe Sauer2. О тушении лития3. Проблемы с аккумуляторами Боинг-7774. Отзыв аккумуляторов компанией Dell
