Jak je to s bezpečností li-ion baterií?

Elektromobily pro osobní dopravu vyžadují výkony desítek kW, zálohování každodenního kolísání produkce alternativního zdroje pak stovky kW až jednotky MW. Při jejich hromadné aplikaci se objevuje fenomén, u jiných chemických zdrojů proudu neznámý, a to otázka jejich bezpečnosti.

Každý článek li–ion baterie totiž obsahuje řadu látek s různými vlastnostmi z hlediska možného vznícení. Materiály kladných elektrod jsou látky s vysokým podílem chemicky vázaného kyslíku a tudíž podporující hoření. Materiály záporných elektrod jsou samy o sobě hořlavé a nezřídka na vzduchu samozápalné. K tomu přistupuje elektrolyt tvořený roztokem lithné soli v organické a tudíž obvykle hořlavé kapalině. V podstatě je známo několik způsobů, jimiž lze vyvolat hoření a požár této soustavy. Může to být nadměrné proudové zatížení, a to jak při nabíjení, tak i vybíjení, přehřátí či mechanické poškození způsobující vnitřní zkrat. Tato poslední příčina je zvlášť významná pro aplikace ve vojenství (průraz a následný zkrat způsobený průstřelem).

Obrana proti vzniku požáru je v podstatě trojí. Jako základní musí být dodržování předepsaných pracovních podmínek. Především je to předepsaný způsob nabíjení. Dále, při sestavování článků do baterií dbáme, aby se články v baterii kapacitou ať jmenovitou nebo okamžitou lišily co nejméně. Samozřejmě je potřeba vyloučit neodbornou manipulaci či svévolné rozebírání jak článků, tak i baterií z nich sestavených.

Aktivní ochrana baterie spočívá v používání ochranných obvodů. Článek baterie pro mobilní telefony obsahuje nejméně dva elektronické obvody, z nichž jeden je řídící a druhý pracuje jako výkonový spínač. Články výkonových baterií obsahují ochranné obvody, které kromě napětí a proudu navíc hlídají i nepřiměřený vzrůst teploty a při jejím překročení článek odpojují. Výstupní napětí vždy upravuje výkonový elektronický systém. Ztráta napětí velké baterie, složené například ze stovky článků, se vyrovnává elektronickým řízením, a proto neohrožuje činnost celého systému.

Jeden z kolektivů Ústavu elektrotechnologie FEKT VUT řeší pasivní ochranu, spočívající v hledání materiálů pro lithio – iontové baterie, které mají výrazně menší zápalnost a větší odolnost vůči zvýšeným teplotám. V současné době se soustřeďuje na rozpouštědla a polymery pro přípravu elektrolytů. Jako rozpouštědla jsou zkoumány látky typů sulfonů, jejichž bod vzplanutí je nejméně o 50o až 60o C vyšší než je tato hodnota dnes užívaných rozpouštědel. Pracovníci zde dále ověřují a vyvíjejí polymery obsahující organosilikáty. Také tyto látky jsou hůře zápalné a navíc, elektrická vodivost kompositních polymerů vyrobených na tomto základě je vyšší než vodivost elektrolytů dosud užívaných.

Tato témata budou také součástí chystané mezinárodní konference Advanced Batteries, Accumulators and Fuel Cells (ABAF). Tato konference proběhne již tradičně v Brně od 19. – 22. září 2010. Více informací lze najít na www.aba-brno.cz.