EN
АБСТРАКТ
Пухнення в літій-іонних акумуляторах, що використовуються в безпілотних літальних апаратах (БЛА), є критичним процесом деградації, який безпосередньо впливає на експлуатаційну надійність і безпеку. У цій статті надано розширене та систематичне дослідження фізико-хімічних механізмів, відповідальних за пухнення, проведено розмежування між пухненням, пов’язаним з експлуатацією, та пухненням під час зберігання, оцінено пов’язані небезпеки та запропоновано обґрунтовані профілактичні стратегії. Інтегруючи електрохімічну теорію з особливостями використання БЛА, це дослідження має на меті сприяти безпечнішій експлуатації дронів та сприяти майбутнім покращенням у системах управління акумуляторами (BMS).
1. Вступ
Літій-іонні (Li-ion) та літій-полімерні (LiPo) акумулятори стали домінуючими джерелами живлення для БПЛА завдяки високій енергоємності, легкій конструкції та стабільним характеристикам розряду. Оскільки сфера застосування БПЛА розширюється у таких галузях, як аерозйомка, точне землеробство, аварійне реагування та промисловий огляд, надійність бортових систем живлення стає все важливішою.
Незважаючи на свої переваги, літієві акумулятори схильні до деградації при впливі термічного напруження, механічних ударів, неправильного заряджання або несприятливих умов зберігання. Серед різних форм деградації набрякання акумулятора — характерне патологічне розширення корпусу чи оболонки елемента — стало серйозною проблемою безпеки. Набрякання не лише знижує продуктивність акумулятора, але й підвищує ризик виникнення пожежі, розриву та виділення токсичних газів.
Цей документ розширює існуючі дослідження, надаючи детальний аналіз механізмів набухання, чинників, що сприяють цьому, та профілактичних заходів, адаптованих до умов експлуатації БПЛА.
2. Класифікація явищ набухання акумуляторів
2.1 Тимчасове набухання під час роботи з великим навантаженням
Під час вимогливих польотних завдань акумулятори БПЛА можуть швидко нагріватися через великі струми розряду. Такі дії, як швидке прискорення, зависання у сильний вітер або перевезення важкого вантажу, значно збільшують нагрівання внаслідок внутрішнього опору.
Коли температура елемента перевищує рекомендовані межі роботи (зазвичай вище 40–45 °C), починаються паразитні реакції. До них належать частковий розклад розчинників електроліту та нестабільність інтерфейсу твердого електроліту (SEI). Утворені газоподібні побічні продукти — зокрема CO₂, H₂ та вуглеводні з низькою молекулярною вагою — накопичуються всередині герметичного корпусу акумулятора.
Ця форма розпухання, як правило, зворотна. Як тільки акумулятор охолоне, внутрішній тиск зменшується, і корпус може повернутися до своєї початкової форми. Однак багаторазове піддання високим температурам прискорює руйнування SEI, збільшує внутрішній опір і сприяє довгостроковій деградації. З часом тимчасове розпухання може перетворитися на незворотне, якщо термічне навантаження триває.
2.2 Незворотне розпухання під час зберігання
Розпухання, що виникає під час зберігання, зазвичай є більш серйозним і вказує на постійні внутрішні пошкодження. На відміну від експлуатаційного розпухання, яке часто зумовлене температурою, розпухання, пов’язане із зберіганням, головним чином пов’язане з електрохімічною нестабільністю та довгостроковою деградацією.
2.2.1 Старіння, спричинене циклуванням
Літій-іонні акумулятори зазнають структурних і хімічних змін під час кожного циклу заряду-розряду. Після сотень циклів шар SEI ущільнюється, активний матеріал втрачає зв'язок, а пористість електродів зменшується. Ці зміни збільшують внутрішній опір і сприяють реакціям з виділенням газу.
Коли акумулятор наближається до кінця свого корисного терміну експлуатації, навіть незначні навантаження — такі як трохи надмірний заряд або невеликі коливання температури — можуть спровокувати роздування.
2.2.2 Неправильні умови зберігання
Кілька чинників, пов’язаних із зберіганням, значно підвищують ризик роздування:
● Глибокий розряд (<3,0 В на елемент) може призвести до розчинення міді з токопровідника анода, що спричинить внутрішні короткі замикання.
● Механічні пошкодження можуть порушити цілісність сепаратора, дозволивши прямий контакт електродів.
● Проникнення вологи викликає реакцію з компонентами електроліту, що призводить до виділення тепла і газу.
● Зберігання при екстремальному рівні заряду прискорює окиснення електроліту та нестабільність шару SEI.
● Зберігання при високих температурах (30 °C) збільшує швидкість реакцій та утворення газу.
Ці фактори сприяють незворотному пухненню, яке часто супроводжується втратою ємності та нестабільністю напруги.
3. Фізико-хімічні механізми пухнення
3.1 Розклад електроліту
Електроліти на основі органічних карбонатів чутливі до тепла. Під впливом високих температур або надмірної напруги вони розкладаються на газоподібні побічні продукти. Цей розклад є однією з основних причин пухнення.
3.2 Осідання літію та утворення дендритів
Заряджання при низьких температурах або підвищених напругах може призводити до осадження металевого літію на поверхні аноду. Осідання літію зменшує ємність і збільшує внутрішній опір. Ще важливіше те, що металевий літій дуже реакційноздатний і може ініціювати реакції з виділенням газу з розчинниками електроліту.
3.3 Нестабільність шару SEI
Шар SEI має важливе значення для стабілізації інтерфейсу анод-електроліт. Однак термічні напруження, перевантаження або механічна деформація можуть призвести до утворення тріщин у шарі SEI. Багаторазове руйнування SEI споживає електроліт і призводить до виділення газу, що сприяє пухлині.
3.4 Деградація сепаратора
Сепаратор — це пориста полімерна мембрана, яка запобігає прямому контакту між електродами. Механічний вплив, перегрів або виробничі дефекти можуть послабити сепаратор. Як тільки його цілісність порушена, можуть виникнути внутрішні короткі замикання, що призводить до швидкого виділення тепла та газу.
4. Виявлення та оцінка пухлих акумуляторів
Раннє виявлення пухлини має вирішальне значення для запобігання аваріям. Основні ознаки включають:
● Видима деформація або розширення корпусу акумулятора
● Утруднення встановлення або вилучення акумулятора з БПЛА
● Солодкий або гострий хімічний запах
● Зменшення часу польоту або нестабільна вихідна напруга
● Підвищена температура під час зарядки або розрядки
Пухирілі акумулятори необхідно негайно вилучити з експлуатації. Спроби проколоти або стиснути акумулятор, щоб зняти внутрішній тиск, надзвичайно небезпечні й можуть спричинити запалення.
5. Небезпекі, пов’язані з пухирінням
5.1 Пожежа та тепловий пробій
Внутрішні короткі замикання або екзотермічні реакції можуть викликати тепловий пробій — самопосилюваний процес, який може призвести до пожежі.
5.2 Механічне руйнування
Надмірний внутрішній тиск може призвести до розриву корпусу акумулятора, що спричинить виділення гарячих газів і легкозаймистого електроліту.
5.3 Виділення токсичних газів
Продукти розкладання електроліту можуть включати шкідливі органічні пари, які становлять небезпеку для дихальної системи.
5.4 Пошкодження конструкції БПЛА
Пухирілий акумулятор може деформувати відсік акумулятора БПЛА, пошкодити з’єднувачі або перешкоджати роботі систем охолодження.
6. Профілактичні стратегії
6.1 Керування заряджанням
● Використовуйте зарядні пристрої, схвалені виробником, і уникайте швидкого заряджання, якщо воно явно не підтримується.
● Не залишайте акумулятори без нагляду під час заряджання.
● Припиніть заряджання після повного заряду та періодично балансуйте напругу елементів.
● Уникайте заряджання одразу після польоту; дайте достатньо часу на охолодження.
6.2 Тепловий контроль
● Зберігайте акумулятори в прохолодному, сухому місці.
● Уникайте тривалого впливу прямих сонячних променів на БПЛА.
● Використовуйте вогнестійкі або термоізольовані контейнери під час транспортування.
6.3 Оптимізація зберігання
● Підтримуйте рівень заряду 40–60% для тривалого зберігання.
● Підзаряджайте кожні 1–3 місяці, щоб уникнути глибокого розряду.
● Зберігайте акумулятори окремо, щоб запобігти тепловому поширенню.
6.4 Механічний захист
● Уникайте падіння або стискання акумулятора.
● Захищайте від вологи та вібрацій.
● Регулярно перевіряйте на наявність ознак зносу або деформації.
6.5 Експлуатаційний моніторинг
● Відстежуйте кількість циклів і показники продуктивності через системи керування польотом.
● Замініть акумулятори, які демонструють аномальну поведінку напруги або зниження ємності.
● Підтримуйте актуальність прошивки, щоб скористатися покращеними алгоритмами керування акумулятором.
7. Висновок
Пухиріння акумуляторів у системах БПЛА є багатофакторним явищем, спричиненим тепловим стресом, електрохімічною деградацією, механічним пошкодженням та неправильними умовами зберігання. Хоча тимчасове пухиріння під час роботи може бути зворотним, пухиріння, виявлене під час зберігання, зазвичай вказує на незворотну внутрішню несправність.
Дотримуючись науково обґрунтованих практик заряджання, зберігання та моніторингу, користувачі можуть значно зменшити випадки пухиріння та підвищити безпеку БПЛА. Хоча досягнення в галузі хімії акумуляторів і систем управління й надалі покращуватимуть надійність, усвідомленість користувачів залишається ключовим чинником запобігання небезпеці, пов’язаній із пухирінням.
