Почему батарея раздувается?

Реферат

Вздутие литий-ионных аккумуляторов, используемых в беспилотных летательных аппаратах (БЛА), представляет собой критическое явление деградации, которое напрямую влияет на эксплуатационную надежность и безопасность. В данной статье представлено расширенное и систематическое исследование физико-химических механизмов, ответственных за вздутие, проведено различие между поведением при эксплуатации и хранении, оценены связанные с этим опасности и предложены основанные на фактических данных стратегии профилактики. Интегрируя электрохимическую теорию со специфическими режимами использования БЛА, данное исследование направлено на обеспечение более безопасной эксплуатации дронов и разработку будущих улучшений в системах управления батареями (BMS).

1. Введение

Батареи на основе литий-ионных (Li-ion) и литий-полимерных (LiPo) технологий стали основными источниками питания для БПЛА благодаря высокой плотности энергии, лёгкой конструкции и стабильным характеристикам разрядки. По мере расширения сфер применения БПЛА — таких как аэрофотосъёмка, точное земледелие, аварийно-спасательные операции и промышленный контроль — надёжность бортовых энергетических систем приобретает всё большее значение.
Несмотря на свои преимущества, литиевые аккумуляторы подвержены деградации при воздействии теплового напряжения, механических повреждений, неправильной зарядки или неподходящих условий хранения. Среди различных форм деградации особую озабоченность вызывает набухание аккумулятора — аномальное расширение пакета элемента или корпуса. Набухание не только снижает производительность батареи, но и увеличивает риск возгорания, разрыва и выделения токсичных газов.
В данной статье расширяется существующее исследование, представлен подробный анализ механизмов набухания, факторов, способствующих этому явлению, а также мер профилактики, адаптированных к условиям эксплуатации БПЛА.

2. Классификация явлений набухания аккумуляторов

2.1 Временное набухание при работе под высокой нагрузкой

При выполнении сложных полетных заданий аккумуляторы БПЛА могут быстро нагреваться из-за высоких токов разряда. Такие действия, как резкое ускорение, зависание в сильном ветру или перевозка тяжелых грузов, значительно увеличивают нагрев за счет внутреннего сопротивления.
Когда температура элемента превышает рекомендованный рабочий порог (обычно выше 40–45 °C), начинаются побочные реакции. К ним относятся частичное разложение растворителей электролита и дестабилизация интерфазы твердого электролита (SEI). В результате образуются газообразные побочные продукты — обычно CO₂, H₂ и углеводороды с низкой молекулярной массой, которые накапливаются внутри герметичного корпуса аккумулятора.

Такая форма вздутия, как правило, обратима. После охлаждения аккумулятора внутреннее давление снижается, и корпус может вернуться к своей первоначальной форме. Однако многократное воздействие высоких температур ускоряет разрушение SEI, увеличивает внутреннее сопротивление и способствует долгосрочной деградации. Со временем временное вздутие может перерасти в необратимое, если тепловое напряжение сохраняется.

2.2 Необратимое вздутие во время хранения

Вздутие, возникающее во время хранения, обычно более серьёзное и указывает на постоянные внутренние повреждения. В отличие от эксплуатационного вздутия, которое зачастую вызвано температурой, вздутие, связанное с хранением, в первую очередь обусловлено электрохимической нестабильностью и долгосрочной деградацией.

2.2.1 Старение, вызванное циклированием

Литий-ионные аккумуляторы подвергаются структурным и химическим изменениям при каждом цикле зарядки-разрядки. В течение сотен циклов слой SEI утолщается, активный материал изолируется, а пористость электродов уменьшается. Эти изменения увеличивают внутреннее сопротивление и способствуют реакциям с выделением газа.
Когда аккумулятор приближается к концу срока своей полезной службы, даже незначительные нагрузки — такие как небольшое превышение заряда или незначительные колебания температуры — могут вызвать вспучивание.

2.2.2 Неправильные условия хранения

Несколько факторов, связанных с хранением, значительно повышают риск вспучивания:
● Глубокий разряд (<3,0 В на элемент) может привести к растворению меди из токосъёмника анода, вызывая внутренние короткие замыкания.
● Механические повреждения могут нарушить целостность сепаратора, позволяя прямой контакт электродов.
● Проникновение влаги вызывает реакцию с компонентами электролита, выделяя тепло и газ.
● Хранение при крайних уровнях заряда ускоряет окисление электролита и нестабильность SEI.
● Хранение при высокой температуре (30 °C) увеличивает скорость реакций и образование газов.
Эти факторы в совокупности способствуют необратимому набуханию, зачастую сопровождающемуся потерей ёмкости и нестабильностью напряжения.

3. Физико-химические механизмы набухания

3.1 Разложение электролита

Электролиты на основе органических карбонатов термочувствительны. При воздействии высоких температур или условий перенапряжения они разлагаются с образованием газообразных побочных продуктов. Это разложение является одной из основных причин набухания.

3.2 Осаждение лития и образование дендритов

Зарядка при низких температурах или высоком напряжении может привести к осаждению металлического лития на поверхности анода. Осаждение лития снижает ёмкость и увеличивает внутреннее сопротивление. Более того, металлический литий обладает высокой реакционной способностью и может инициировать реакции с растворителями электролита с образованием газов.

3.3 Нестабильность SEI-слоя

Слой SEI имеет важное значение для стабилизации интерфейса анод-электролит. Однако термическое напряжение, перезарядка или механическая деформация могут вызвать растрескивание SEI. Многократное разрушение SEI приводит к расходу электролита и выделению газа, что способствует набуханию.

3.4 Деградация сепаратора

Сепаратор — это пористая полимерная мембрана, предотвращающая прямой контакт между электродами. Механическое воздействие, перегрев или производственные дефекты могут ослабить сепаратор. Как только его целостность нарушена, возникают внутренние короткие замыкания, приводящие к быстрому выделению тепла и газов.

4. Выявление и оценка набухших аккумуляторов

Раннее обнаружение набухания имеет решающее значение для предотвращения аварий. Ключевые признаки включают:
● Видимую деформацию или расширение корпуса аккумулятора
● Затруднения при установке или извлечении аккумулятора из БПЛА
● Сладкий или резкий химический запах
● Снижение времени полета или нестабильная подача напряжения
● Повышенную температуру во время зарядки или разрядки
Опухшие батареи необходимо немедленно изъять из эксплуатации. Попытки проколоть или сжать батарею для снижения внутреннего давления чрезвычайно опасны и могут спровоцировать возгорание.

5. Риски, связанные с набуханием

5.1 Возгорание и тепловой разгон
Внутренние короткие замыкания или экзотермические реакции могут вызвать тепловой разгон — саморазворачивающийся процесс, который может привести к возгоранию.

5.2 Механическое разрушение
Чрезмерное внутреннее давление может привести к разрыву корпуса батареи, в результате чего будут выброшены горячие газы и легковоспламеняющийся электролит.

5.3 Выделение токсичных газов
Продукты разложения электролита могут включать вредные органические пары, представляющие опасность для дыхательной системы.

5.4 Повреждение конструкции БПЛА
Раздувшаяся батарея может деформировать отсек батареи БПЛА, повредить соединители или нарушить работу систем охлаждения.

6. Профилактические стратегии

6.1 Управление зарядкой
● Используйте зарядные устройства, одобренные производителем, и избегайте быстрой зарядки, если она явно не поддерживается.
● Не оставляйте аккумуляторы без присмотра во время зарядки.
● Прекратите зарядку после полного заряда и периодически выравнивайте напряжения элементов.
● Избегайте зарядки сразу после полета; предоставьте достаточное время для охлаждения.

6.2 Тепловой контроль
● Храните аккумуляторы в прохладных, сухих помещениях.
● Избегайте длительного воздействия прямых солнечных лучей на БПЛА.
● Используйте огнестойкие или термоизолированные контейнеры при транспортировке.

6.3 Оптимизация хранения
● Поддерживайте уровень заряда в диапазоне 40–60% при длительном хранении.
● Заряжайте каждые 1–3 месяца, чтобы предотвратить глубокий разряд.
● Храните аккумуляторы отдельно, чтобы предотвратить тепловое распространение.

6.4 Механическая защита
● Избегайте падений или сжатия аккумулятора.
● Защищайте от влаги и вибраций.
● Регулярно проверяйте наличие признаков износа или деформации.

6.5 Контроль эксплуатации
● Отслеживайте количество циклов и показатели производительности через системы управления полетом.
● Заменяйте батареи, демонстрирующие аномальное поведение напряжения или снижение ёмкости.
● Регулярно обновляйте прошивку, чтобы воспользоваться улучшенными алгоритмами управления батареей.

7. заключение

Распухание батарей в системах БПЛА является многофакторным явлением, вызванным тепловым напряжением, электрохимической деградацией, механическими повреждениями и неправильными условиями хранения. В то время как временное распухание во время работы может быть обратимым, распухание, наблюдаемое при хранении, обычно указывает на необратимый внутренний отказ.
При соблюдении научно обоснованных практик зарядки, хранения и мониторинга пользователи могут значительно снизить частоту возникновения распухания и повысить безопасность БПЛА. Хотя дальнейшее развитие химического состава батарей и систем управления будет способствовать повышению надёжности, осведомлённость пользователей остаётся ключевым фактором предотвращения связанных с распуханием рисков.