1. SFT
  2. Archiwum
  3. Vol. 63
  4. Rozważania nad ogniwami litowo-jonowy...

Rozważania nad ogniwami litowo-jonowymi. Geneza problemu oraz wstęp teoretyczny

Paweł, Wolny, dr inż. , Paweł, Mikołajczyk , Piotr, Mikołajczyk , Aleksander, Nadarzyński , Pior, Lesiak, mgr inż. , Damian, Bąk, mgr inż. , Piotr, Kaczmarzyk, mgr inż.

Pobierz artykuł
Open Access
DOI: 10.12845/sft.63.1.2024.6, strony: 70 – 86

Abstrakt

Cel: W artykule przedstawiono i przeanalizowano zagrożenia związane z eksploatacją akumulatorów Li-ion, zakres zastosowań, przegląd niebezpiecznych zdarzeń w kraju i na świecie, krótką ich historię, a także zalecenia dotyczące ich użytkowania i magazynowania opublikowane m.in. przez zagraniczne organizacje zajmujące się ochroną przeciwpożarową i bezpieczeństwem pracy.

Metodologia: Opierając się na krytycznej analizie literatury, autorzy przedstawili zalety i wady ogniw wykorzystywanych w smartfonach, laptopach, przenośnych elektronarzędziach, a nawet samochodach elektrycznych. Rozwój technologii produkcji akumulatorów litowo-jonowych oraz rozszerzenie zakresu ich zastosowania sprawia, że konieczne jest opracowanie rozwiązań zwiększających bezpieczeństwo podczas ich użytkowania oraz procedur zapobiegania ewentualnym wybuchom i pożarom, pozwalających na skuteczną ochronę życia oraz zdrowia użytkowników, a także zabezpieczenie wszelkiego mienia i środowiska.

Wnioski: Aby zapobiegać pożarom, należy poznać mechanizmy, które prowadzą do zapłonu ogniw i akumulatorów. Z punktu widzenia przeciwdziałania tego typu awariom i pożarom istotne jest rozpoznanie reakcji palących się akumulatorów na różnego typu środki gaśnicze i prewencyjne. Kontynuacja badań w tej dziedzinie może przyczynić się do opracowania bardziej zaawansowanych technologii bezpieczeństwa oraz wypracowania standardów regulacyjnych, które w przyszłości zagwarantują skuteczne zwalczanie pożarów akumulatorów w technologii Li-ion bezpośrednio związanych z ich przechowywaniem, użytkowaniem ich w dużym zagęszczeniu, oraz poprawnym składowaniem odpadów (w postaci uszkodzonych i wyeksploatowanych akumulatorów).

Słowa kluczowe: akumulatory litowo-jonowe, zagrożenie pożarowe, ochrona środowiska, skażenie środowiska, toksyczne produkty spalania

Bibliografia:

  1. Castelvecchi D., Stoye E., World-changing batteries win Nobel, „Nature” 2019, 574, 7778, 308–308, https://doi.org/10.1038/d41586-019-02965-y.
  2. Igras S., Bez energii ani rusz, https://www.computerworld.pl/news/Bez-energii-ani-rusz,401574.html, [dostęp: 02.11.2023].
  3. E-magazyny.pl, Baza wiedzy, Baterie litowo-jonowe, https://e-magazyny.pl/baza-wiedzy/baterie-litowo-jonowe/?fbclid=IwAR3fWUw1OX9AQNM-OLOhPkh3O2Nc6xeZpKGAEOk3eyH1DYUSda-UqFNc9FI, [dostęp: 02.11.2023].
  4. Baraniak J., Pawlicki B., Wincenciak S., Elektromobilność: szanse i zagrożenia dla sieci dystrybucyjnej, „Przegląd Elektrotechniczny” 2020, 96.
  5. Aghabali I., Bauman J., Kollmeyer P.J., Wang Y., Bilgin B., Emadi A., 800-V Electric Vehicle Powertrains: Review and Analysis of Benefits, Challenges, and Future Trends, „IEEE Transactions on Transportation Electrification” 2021, 7(3), pp. 927–948, https://doi.org/10.1109/TTE.2020.3044938.
  6. Duh Y.-S., Sun Y., Lin X., Zheng J., Wang M., Wang Y., Lin X. i in., Characterization on thermal runaway of commercial 18650 lithium-ion batteries used in electric vehicles: A review, „Journal of Energy Storage” 2021, 41, 102888, https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102888.
  7. Mrozik W., Rajaeifar M.A., Heidrich O., Christensen P., Environmental impacts, pollution sources and pathways of spent lithium-ion batteries, „Energy & Environmental Science” 2021, 14, no. 12, 6099-6121, https://doi.org/10.1039/D1EE00691F.
  8. PZPM, PSPA, Licznik elektromobilności, https://www.pzpm.org.pl/pl/content/download/18408/231342/file/Licznik_Elektromobilnosci_PZPM_PSPA_informacja_prasowa_2024-02-23.pdf, [dostęp: 02.11.2023].
  9. https://www.ev-volumes.com/country/total-world-plug-in--vehicle-volumes/, [dostęp: 02.11.2023].
  10. https://www.pzpm.org.pl/pl/Aktualnosci/Licznikelektromobilnosci-Marzec-2023?fbclid=IwAR0tXX0Al-TJPcR-24QM0plD7NbJoxE57TFh_dzhqqfyMKrJCJbfVW06bxwA, [dostęp: 02.11.2023]..
  11. Olszewski D., Laptop, a może komputer stacjonarny? Jak wygląda rynek?, https://www.computerworld.pl/news/ Laptop-a-moze-komputer-stacjonarny-Jak-wyglada-rynek, 445926.html, [dostęp: 02.11.2023].
  12. Polski rynek smartfonów trzyma się mocno na tle osłabionego regionu, https://www.parkiet.com/handel-i-konsumpcja/ art36703791-polski-rynek-smartfonow-trzyma-sie- -mocno-na-tle-oslabionego-regionu, [dostęp: 02.11.2023].
  13. Pesaran A., Battery thermal management in EV and HEVs: issues and solutions, „Battery Man” 2001, 43(5), 34–49.
  14. Bandhauer T.M., Garimella S., Fuller T.F., A critical review of thermal issues in lithium-ion batteries, „Journal of the electrochemical society” 2011, 158(3), R1, https://doi.org/10.1149/1.3515880.
  15. Huo H., Xing Y., Pecht M., Züger B.J., Khare N., Vezzini A., Safety requirements for transportation of lithium batteries, „Energies” 2017, 10(6), 793, https://doi.org/10.3390/en10060793.
  16. Li W., Crompton K.R., Hacker C., Ostanek J.K., Comparison of current interrupt device and vent design for 18650 format lithium-ion battery caps, „Journal of Energy Storage” 2020, 32, 101890, https://doi.org/10.1016/j.est.2020.101890.
  17. Xu B., Kong L., Wen G., Pecht M.G., Protection devices in commercial 18650 lithium-ion batteries, „IEEE Access” 2021, 9, 66687–66695, https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3075972.
  18. Ouyang D., Weng J., Chen M., Wang J., What a role does the safety vent play in the safety of 18650-size lithium- -ion batteries?, „Process Safety and Environmental Protection” 2022, 159, 433–441, https://doi.org/10.1016/j.psep.2022.01.017.
  19. Liu J., Duan Q., Ma M., Zhao C., Sun J., Wang Q., Aging mechanisms and thermal stability of aged commercial 18650 lithium-ion battery induced by slight overcharging cycling, „Journal of power sources” 2020, 445, 227263, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227263.
  20. Robinson J.B., Darr J.A., Eastwood D.S., Hinds G., Lee P.D., Shearing P.R., Taiwo O.O., Brett D.JL., Non-uniform temperature distribution in Li-ion batteries during discharge–A combined thermal imaging, X-ray micro-tomography and electrochemical impedance approach, „Journal of Power Sources” 2014, 252, 51–57, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.11.059.
  21. Kuipers M., Meier S., Hust F., Sauer D.U., An in-depth view into the Tesla model S module. Part two: Module characterization and comparison to other state of the art EV battery systems, Helmholtz-Institut Münster Ionenleiter für Energiespeicher, No. FZJ-2017-02840, Jülich 2017.
  22. Sahraei E., Campbell J., Wierzbicki T., Modeling and short circuit detection of 18650 Li-ion cells under mechanical abuse conditions, „Journal of Power Sources” 2012, 220, 360–372, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.07.057.
  23. Balakrishnan P.G., Ramesh R., Prem Kumar T., Safety mechanisms in lithium-ion batteries, „Journal of power sources” 2006, 155(2), 401–414, https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.12.002.
  24. Larsson F., Andersson P., Blomqvist P., Mellander B.-E., Toxic fluoride gas emissions from lithium-ion battery fires, „Scientific reports” 2017, 7(1), 10018, https://doi.org/10.1038/s41598-017-09784-z.
  25. Lesiak P., Pietrzela D., Mortka P., Methods used to extinguish fires in electric vehicles, “Safety & Fire Technology” 2021, 58, 38–57, https://doi.org/10.12845/sft.58.2.2021.3.
  26. Zhao J., Xue F., Fu Y., Cheng Y., Yang H., Lu S., A comparative study on the thermal runaway inhibition of 18650 lithium-ion batteries by different fire extinguishing agents, „iScience” 2021, 24(8), https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102854.
  27. Nedjalkov A., Meyer J., Köhring M., Doering A., Angelmahr M., Dahle S., Sander A., Fischer A., Schade W., Toxic gas emissions from damaged lithium-ion batteries – analysis and safety enhancement solution, „Batteries” 2016, 2(1), 5, https://doi.org/10.3390/batteries2010005.
  28. Mrozik W., Rajaeifar M.A., Heidrich O., Christensen P., Environmental impacts, pollution sources and pathways of spent lithium-ion batteries, „Energy & Environmental Science” 2021, 14, no. 12, 6099–6121, https://doi.org/10.1039/D1EE00691F.
  29. Lisbona D., Snee T., A review of hazards associated with primary lithium and lithium-ion batteries, „Process Safety and Environmental Protection” 2011, 89, no. 6, 434–442, https://doi.org/10.1016/j.psep.2011.06.022.
  30. Furfaro D., Marino J., Raging fire near LIRR tracks likely to make commute hell, „New York Post” 2018, 16.03, https://nypost.com/2018/03/16/raging-fire-near-lirr-tracks-likely--to-make-commute-hell/, [dostęp: 02.11.2023].
  31. ERI, The 5 Biggest Lithium Ion Battery Fires To Date, 29.03.2022, https://eridirect.com/blog/2022/03/the-5-biggest-lithium-ion-battery-fires-to-date/ [dostęp: 02.11.2023].
  32. CNET, Samsung phone catches fire and destroys car, says Detroit woman, 11.06.2022, https://www.cnet.com/news/samsung-phone-catches-fire-destroys-car-says-detroit-woman/ [dostęp: 02.11.2023].
  33. Beausoleil S., Lithium batteries causes train car explosion in NE Houston, https://www.click2houston.com/news/train- catches-fire-in-ne-houston, [dostęp: 02.11.2023].
  34. Vandell P., Injured firefighters identified from substation battery explosion in Surprise, https://www.azfamily.com/ news/firefighters-hospitalized-after-power-substation-battery- explosion-in-surprise/article_ c28a7f1e-631c-11e9-9bf1- bfa00f273619.html, [dostęp: 02.11.2023].
  35. Wallroth E., Fullt utvecklad brand i Vällingby – tre radhus brinner ner, https://www.svt.se/nyheter/lokalt/stockholm/ brand-i-radhus-i-vallingby-polisen-evakuerar, [dostęp: 02.11.2023].
  36. Sweden Posts English, Heavy fire in terraced house – started in electric car, https://sweden.postsen.com/local/115091/ Heavy-fire-in-terraced-house-%E2%80%93-started-in-electric- car.html, [dostęp: 02.11.2023].
  37. NFPA 1: Fire Code, https://www.nfpa.org/codes-and-standards/ all-codes-and-standards/list-of-codes-and-standards/ detail?code=1, [dostęp: 02.11.2023].
  38. NFPA Lithium-Ion Battery Safety Information and Resources, https://www.nfpa.org/-/media/Files/Public-Education/ Resources/Safety-tip-sheets/LithiumIonBatterySafety. ashx, [dostęp: 02.11.2023].
  39. People, Four Hospitalized After Battery Pack Caught Fire on United Airlines Flight, 08.02.2023, https://people.com/travel/four-hospitalized-after-battery-pack-caught-fire-on--united-airlines-flight/, [dostęp: 02.11.2023].
  40. NFPA 484: Standard for Combustible Metals, https://www.nfpa.org/codes-and-standards/all-codes-and-standards/list-of-codes-and-standards/detail?code=484, [dostęp:02.1 1.2023].
  41. OSHA, Preventing Fire and/or Explosion Injury from Small and Wearable Lithium Battery Powered Devices, https://www.osha.gov/sites/default/files/publications/shib011819.pdf, [dostęp: 02.11.2023].
  42. OSHA, Standard Interpretations – Applicability of the HCS to Lithium-Ion Batteries, https://www.osha.gov/laws-regs/ standardinterpretations/2022-12-01, [dostęp: 02.11.2023].
  43. KG PSP, Standardowe zasady postępowania podczas zdarzeń z samochodami osobowymi z napędem elektrycznym, https://www.gov.pl/web/kgpsp/zatwierdzono-standardowe- -zasady-postepowania-podczas-zdarzen-z-samochodami-z- -napedem-elektrycznym-oraz-hybrydowym-material-opracowany- przez-zespol-zadaniowy-komendanta-glownego-psp.