Стандарты безопасности ионно-литиевых аккумуляторов

Потенциальная опасность нанесения ущерба имуще­ству и здоровью, существующая при эксплуатации ионно-литиевых аккумуляторов, требует выполнения ряда проверок их характеристик, проводимых органами сертификации. В статье приведен краткий обзор действующих в США и странах Европы нормативных документов, регламентирующих условия этих проверок.

А. Мельниченко

Как сообщалось в СМИ, в последние годы наблюдалось несколько случаев взрыва ионно- литиевых аккумуляторов мобильных телефо­нов и портативных компьютеров. В частности, в Китае и Южной Корее были зафиксированы случаи причинения ущерба здоровью человека и даже смерти. В общей сложности в мире от­мечено 30 случаев возгорания или взрыва ион­но-литиевых аккумуляторов. Все это приводит к дополнительным расходам, как для произво­дственных, так и для торговых компаний, не говоря уже об ухудшении их имиджа. В этих условиях возрастает значение проверок акку­муляторов на соответствие требованиям регла­ментирующих документов, которые выполня­ются органами сертификации.

В настоящее время ионно-литиевые аккуму­ляторы широко используются во множестве портативных изделий: ноутбуках, мобильных телефонах и др. Их удельная плотность энергии на единицу объема и массы значительно боль­ше, чем свинцово-кислотных и никель-кадмие­вых аккумуляторов. Напряжение аккумулято­ра составляет 3.6..4.2 В (в зависимости от степе­ни разряда), а КПД достигает 96%. Кроме того, в них отсутствует эффект “памяти”.

Однако, наряду со многими положительны­ми качествами, основным недостатком ионно- литиевых аккумуляторов является склон­ность к возгоранию или взрыву при коротком замыкании. Причина этого явления кроется в высокой химической активности лития. По­вышение температуры аккумулятора выше определенного предела вследствие избыточной зарядки или из-за наличия посторонних при­месей в исходных материалах, используемых при его производстве, может стать причиной его возгорания (рис. 1). Поэтому в аккумуля­тор, как правило, встраивается электронная схема, отключающая его при перегрузках по току или выходе его напряжения или темпера­туры за допустимые пределы. В результате бе­зопасность при работе с ним существенно воз­растает.

В настоящее время полным ходом идут ра­боты по созданию накопителей энергии боль­шой емкости на основе ионно-литиевых акку­муляторов для их применения в автомобилях. Особенностью этих аккумуляторов является возможность работы в широком диапазоне температур. Здесь вопросы безопасной эксплу­атации аккумуляторов приобретают особую важность.

Рис. 1. Сгоревший аккумулятор

Наряду с нормами безопасной эксплуата­ции аккумуляторов были разработаны также соответствующие методики их тестирования. Путем проверки аккумуляторных элементов и батарей, установленных в серийном изделии, изготовитель (как и продавец) может на ран­ней стадии выявить потенциальную опасность и уделить больше внимания обеспечению безо­пасности при разработке новых изделий, а так­же наладить их производство в соответствии с существующими стандартами и другими нор­мативными документами.

ОБЩИЕ НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

В странах Европейского Союза не существу­ет каких-либо документов, касающихся безо­пасности эксплуатации аккумуляторов, а так­же не ведутся работы по согласованию техни­ческих условий на аккумуляторы, выпускае­мые разными производителями. Косвенно эти вопросы нашли отражение в директиве 2001/95/EG, содержащей общие требования безопасности выпускаемой продукции. В Гер­мании эта директива нашла отражение в зако­не о безопасности продукции.

Директива 2006/95/EG на низковольтную аппаратуру, действующая в странах Европей­ского Союза, применима к устройствам с номи­нальным напряжением от 50 до 1000 В пере­менного или от 75 до 1500 В постоянного тока. На первый взгляд, она не относится к аккуму­ляторам, так как их номинальное напряжение значительно ниже 75 В. Тем не менее, она распространяется на изделия с автономным питанием, которые подпадают под действие директивы 1999/5/EG “Radio and Telecommu­nications Terminal Equipment”, так как эта ди­ректива ссылается на предыдущую и не имеет ограничений на нижнюю границу напряже­ния. Таким образом, выполнение требований вышеуказанных директив обязательно и для установленных в эти изделия автономных ис­точников питания.

В странах Европейского Союза при произ­водстве любой продукции рекомендуется соб­людение требований соответствующих стан­дартов и других нормативных документов, да­же если на ней отсутствует обозначение “СЕ”. Следует также учесть, что аккумуляторы со встроенной электронной схемой должны удовлетворять требованиям директивы 2004/108/EG по электромагнитной совмести­мости.

Требования, косвенно относящиеся к акку­муляторам, можно также найти и в других нормативных документах, например в стан­дартах EN 60950-1 или EN 60065.

Во всем мире действуют также транспорт­ные инструкции Объединенных Наций. К ак­кумуляторам, в частности, относится инструк­ция ST-SG-AC10-11 “Transport of Dangerous Goods, Manual of Tests and Criteria”, раздел 38.3: Lithium Batteries. В ней приведены мето­ды испытаний, имитирующие различные ус­ловия транспортировки ионно-литиевых акку­муляторов: широкий диапазон изменения тем­пературы и давления, вибрация, удары, корот­кое замыкание и др.

НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ НА АККУМУЛЯТОРЫ

Существует ряд специальных стандартов и директив на аккумуляторы различного типа. В таблице дан краткий перечень наиболее важ­ных из них, касающихся ионно-литиевых ак­кумуляторов и батарей. В США действуют приведенные в таблице нормы UL, в частнос­ти, для ионно-литиевых аккумуляторов – это UL 1642 и UL 2054. Некоторые компании в США, предоставляющие услуги связи, требу­ют, чтобы аккумуляторы, установленные в мо­бильных телефонах, соответствовали докумен­ту “CTIA Certification Requirements for Bat­tery System Compliance to IEEE 1725”. Однако выполнение этих требований – дело доброволь­ное. В США и Канаде по-прежнему действуют разрешения лаборатории NRTL (Nationally Recognized Testing Laboratory). Существует также программа “CTIA Battery Safety Pro­gram”, которая является чем-то вроде перечня обязательств компаний, объединенных жела­нием воспрепятствовать поставкам небезопас­ных ионно-литиевых аккумуляторов на аме­риканский рынок.

Организация CTIA представляет интересы поставщиков, производителей и других ком­паний, занимающихся предоставлением услуг беспроводной связи и по сети Интернет. Про­цесс сертификации в CTIA включает контроль изготовления всех системных компонентов ав­торизованной CTIA лабораторией, названной CATL (CTIA Authorized Test Lab). Объектом сертификации являются аккумуляторы, их корпуса, DC/DC- и AC/DC-адаптеры, мобиль­ные устройства (Host) и системы в целом.

Испытания ионно-литиевых аккумулято­ров в большинстве случаев связаны с повы­шенной опасностью, как-то: возгоранием и взрывом испытуемых образцов, выделением вредного газа или жидкости и др. Поэтому ла­боратории наряду с соответствующим оборудо­ванием должны иметь также испытательные камеры с дымоотводным каналом, фильтро­вальной установкой, кондиционером и взры­вобезопасным оборудованием. В лабораториях должны находиться средства пожаротушения, причем порошок, вода или углекислый газ для гашения горящих ионно-литиевых аккумуля­торов неэффективны. Должна также учиты­ваться возможность взрыва аккумулятора. Поэтому наряду со специальным обучением персонала большое значение имеет долговре­менный опыт работы.

Испытания аккумуляторов выполняются, главным образом, двумя способами: 1) при ра­боте в изделиях, для которых они предназна­чены и 2) при моделировании возможных ошибочных действий пользователя, эксплуа­тирующего эти изделия. При проверках акку­муляторов не должны возникать такие явле­ния, как воспламенение или взрыв (с разле­том осколков аккумулятора), деформация, вытекание электролита, нарушение целост­ности корпуса. В перечень проверок включа­ют электрические и механические испыта­ния, а также испытания в различных услови­ях окружающей среды. При электрических испытаниях исследуется поведение аккуму­лятора при коротком замыкании, глубоком разряде, избыточной зарядке, а также нагре­вании. Механические испытания включают деформацию аккумулятора (рис. 2), воздей­ствие ударов и вибрации, а также его свобод­ное падение. Испытания в различных услови­ях окружающей среды включают определение силы взрыва аккумулятора, а также диапазо­на температур и минимального атмосферного давления (имитация высоты), при воздей­ствии которых он сохраняет работоспособ­ность и не разрушается.

Затраты на проведение испытаний доволь­но высоки. Так как большинство аккумулято­ров в результате проверок становятся непри­годными, число необходимых для проведения полного цикла испытаний аккумуляторов может достигать 100 шт. Продолжительность ис­пытаний составляет около 5 недель.

Краткий перечень стандартов на аккумуляторы

Рис. 2. Деформация аккумулятора при давлении на него с силой 13 кН

КТО УПОЛНОМОЧЕН ПРОВОДИТЬ ИСПЫТАНИЯ?

Как правило, ответственность за то, чтобы испытания были проведены в полном объеме, несет производитель продукции. Он также от­вечает за то, чтобы испытания выполнялись в заслуживающей доверия (сертифицирован­ной) лаборатории, так как лишь в этом случае будут соблюдены все необходимые условия ис­пытаний. В пользу выбора сертифицирован­ной лаборатории говорит также возможность использования опыта ее работы, что позволило бы, к примеру, избежать больших капитало­вложений при оснащении собственной лабора­тории.

Испытания, проводимые с целью повыше­ния безопасности при эксплуатации ионно-ли­тиевых аккумуляторов, представляют собой важную часть системы управления качеством продукции. Для их проведения существуют ос­нащенные современным оборудованием серти­фицированные лаборатории, персонал кото­рых обладает большими знаниями и опытом и способен предложить заказчикам высокий уровень сервиса.