Литий-ионные аккумуляторные батареи благодаря своей высокой плотности энергии, стабильной производительности, длительному сроку службы, низкому саморазряду, быстрой зарядке и долговечности нашли широкое применение в повседневной жизни. Однако, несмотря на защиту данного типа батарей с помощью механизмов обеспечения безопасности, пожары от них являются относительно частым явлением.

Работы по созданию аккумулятора на основе лития были начаты ещё в 1912 году, а первые коммерческие образцы были выпущены только в 1991 году, что связано с проблемой обеспечения их безопасной эксплуатации. Одной из основных явилось образование дендритов, игольчатых кристаллов лития, растущих между электродами. Их рост приводил к внутреннему короткому замыканию аккумулятора и выходу его из строя (порой с воспламенением и взрывом). Однако достоинства литиевых аккумуляторов оказались настолько очевидны, что их разработка продолжилась и был достигнут разумный компромисс между эксплуатационными характеристиками и требованиями безопасности, в частности, за счет создания литий-ионных аккумуляторных батарей (Li-ion). В 2019 году ученые С.Уиттингем, Дж.Гуденаф и А.Есино удостоены Нобелевской премии по химии с формулировкой «За развитие литий-ионных аккумуляторов».

Превалирующее большинство литий-ионных аккумуляторных батарей конструктивно производится в цилиндрическом и призматическом вариантах. В цилиндрических аккумуляторах свернутый в виде рулона пакет электродов и сепаратора помещен в стальной или алюминиевый корпус, с которым соединен отрицательный электрод (анод). Положительный электрод (катод) аккумулятора выведен через изолятор на контактную площадку.

Призматические аккумуляторы производятся складыванием прямоугольных пластин друг на друга. Призматические аккумуляторы обеспечивают более плотную упаковку в аккумуляторной батарее, но в них труднее, чем в цилиндрических, поддерживать сжимающие усилия на электроды. В некоторых призматических аккумуляторах применяется рулонная сборка пакета электродов, который скручивается в эллиптическую спираль. Это позволяет объединить достоинства двух описанных выше модификаций конструкции.

Безопасная эксплуатация литий-ионных аккумуляторов учтена в их конструкции: большинство корпусных аккумуляторов снабжены предохранительными клапанами. При превышении давления внутри корпуса клапан (при его исправности) разрывается и сбрасывает давление наружу, предотвращая накопление давления внутри и разрушение корпуса. Также, с учетом того, что литий-ионные аккумуляторы чувствительны к перезаряду и разряду, последние снабжаются системами контроля заряда-разряда – BMS (Battery Management System) платами управления, обеспечивающими защиту и балансировку элементов питания в сборе.

Выбор электролита, который во многом определяет стабильность работы литий-ионного аккумулятора, зависит от электродных материалов. Обычно используется смесь органических растворителей, основой которой является этиленкарбонат (ЭК) и диэтилкарбонат (ДЭК). В смесь вводят различные литиевые соли, например LiPF₆, тип которых определяет проводимость электролита, состав и морфологию пассивного слоя на положительном и отрицательном электродах. Электролит находится в порах матричного сепаратора из полиолефина.

Высокая агрессивность, токсичность и пожароопасность органического электролита в литий-ионных аккумуляторах требует надежной герметизации источника тока. Для исключения термического разгона используют специальный сепаратор, который при температуре 110⁰С претерпевает фазовые изменения и закрывает поры, в результате чего значительно увеличивается его внутреннее сопротивление и уменьшается токовая нагрузка.

Из-за воздействия агрессивных факторов стабильная структура литий-ионного аккумулятора может быть повреждена, что спровоцирует пожарную опасность. Эти факторы можно свести к нескольким основным типам: физические, электрические и тепловые факторы, а также производственный дефект и старение батареи.

Физический фактор. Деформация батареи, вызванная при­ложенной внешней силой, является главной чертой физического фактора, где основным условием является именно механическое воздействие и, как следствие, повреждение батареи. Многие происшествия, связанные с литий-ионными аккумуляторами, произошли после их деформации. Известно, что во время аварии с участием электромобиля одна батарея или батарейный блок могут деформироваться под действием внешней силы. Деформация батареи может привести к опасным последствиям:

- электроды могут соприкасаться, вызывая внутреннее короткое замыкание;
- воспламеняющийся электролит протекает, что может привести к пожару.

Электрический фактор. Внешнее короткое замыкание, перезаряд и чрезмерный разряд являются основными чертами электрического фактора, где внешнее короткое замыкание батареи происходит после того, как электроды с разницей напряжений соединены проводниками. Во время внешнего короткого замыкания аккумулятор находится в состоянии быстрого разряда, и ток разряда может быть намного больше, чем в нормальном состоянии. После этого батарея подвергается сильному повышению температуры (за счет выделения Джоулевого тепла), что может привести к серьезным последствиям, таким как возгорание.

Когда напряжение разомкнутой цепи батареи заряжается выше допустимого, происходит перезаряд. Отказ системы управления батареей является обычной причиной перезаряда, так что зарядка батареи будет продолжаться непрерывно. В результате увеличивается внутреннее давление батареи, происходит деформация батареи и утечка электролита. Кроме того, в процессе перезаряда также наблюдается сильное выделение тепла и газа, а чрезмерная потеря ионов лития на катоде при перезаряде приводит к структурному разрушению катода и последующему выделению кислорода. Выделяющийся кислород ускоряет разложение электролита, после чего образуются газы. Следовательно, пожарная опасность, связанная с перегруженной батареей, значительно повышается.

Аналогично, в случае отказа системы управления батареей, возможен разряд ниже допустимого напряжения. Чрезмерный разряд приводит к чрезмерной потере ионов лития на аноде, что разрушает стабильную структуру анода и вызывает необратимые повреждения. Между тем, такие газы, как CO и CO₂, также могут генерироваться, что приводит к набуханию батареи. Кроме того, чрезмерный разряд приведет к растворению медного коллектора. Растворенная медь мигрирует и осаждается на поверхности анода, который повреждает сепаратор, вызывая короткое замыкание.

Тепловой фактор. Помимо перегрева, вызванного физическими или электрическими факторами, термический сбой также может быть вызван внешней высокой температурой и перегревом. Тепловой фактор приводит к резкому повышению температуры батареи, плавлению сепаратора, разложению электродов/электролита и многочисленным побочным реакциям и т.д. Другими словами, тепловое воздействие является основной причиной теплового разгона батареи. Следует отметить, что как физические, так и электрические факторы, так же, в конечном счете, вызывают тепловой разгон. Это происходит, когда катод и анод контактируют друг с другом из-за выхода из строя сепаратора батареи.

Производственный дефект и старение. Помимо внешних факторов, внутренние дефекты батареи: некачественный сепаратор, загрязнение материала и неправильно расположенные компоненты - могут привести к выходу батареи из строя и созданию пожароопасных условий. Дефекты катодного материала снижают производительность батареи и повышают риск термической опасности. Кроме того, низкокачественный сепаратор снизит эффективность прохождения Li⁺ через сепаратор и приведет к серьезному покрытию его литием, который в дальнейшем проникнет в сепаратор и вызовет внутреннее короткое замыкание. Неправильное расположение компонентов также вредно для работы батареи, ухудшает тепловыделение и, следовательно, снижает пожарную безопасность батареи.

Наконец, из-за ухудшения качества, связанного со старением батареи, ее пожарная опасность соответственно возрастет. Старая батарея будет терять большое количество лития и активных веществ. По мере прогрессирования старения батареи степень покрытия Li будет постепенно увеличиваться и впоследствии образуется дендрит. Дендрит может проникнуть в сепаратор и образовать мостик между электродами, что вызовет микрозамыкание внутри батареи и в конечном итоге приведет к выходу батареи из строя и, возможно, пожару/взрыву.