Akumulatory - niezawodność i bezpieczeństwo

Akumulatory poddawane są ścisłej kontroli już na początkowym etapie produkcji. Dzięki temu wybrakowane półprodukty mogą zostać odpowiednio wcześnie wyłączone z dalszego przetwarzania. Przyczyny ich gorszej jakości bywają różne. Są to na przykład awarie maszyn lub ich błędne ustawienia. Im większa liczba produktów nie zostanie ukończona, tym niestety mniejsza jest wydajność produkcji, a jej koszty większe.

Wiele problemów w funkcjonowaniu akumulatorów ujawnia się dopiero tuż po ich wyprodukowaniu lub zaraz po rozpoczęciu ich użytkowania. Awaryjność tych urządzeń jest bowiem zwykle największa na początku oraz pod koniec ich użytkowania (rys. 1). W międzyczasie wartość tego wskaźnika utrzymuje się na względnie stałym poziomie.

Awarie wczesne i późniejsze

Rys. 1. Najwięcej awarii występuje na początku oraz pod koniec użytkowania akumulatora

Główną przyczyną wcześnie ujawniających się awarii akumulatorów są błędy w ich konstrukcji. Są one powodowane przez błędy w projekcie lub przeoczenie i zamontowanie w urządzeniu uszkodzonych lub wybrakowanych podzespołów. Te ostatnie mogą mieć na przykład niewłaściwe wymiary. Jeżeli nie są wykonane z odpowiedniego materiału możliwe, że będą z kolei mniej wytrzymałe mechanicznie oraz mniej odporne na korozję. Problemem są również podzespoły niestarannie wykończone. Ostre krawędzie mogą na przykład uszkodzić separatory elektrod powodując wewnętrzne zwarcie akumulatora.

Poważny problem stanowią również zanieczyszczenia wprowadzone w czasie produkcji do wnętrza zasobnika energii, które wchodzą w reakcję z materiałami oraz chemikaliami użytymi do budowy akumulatora. Nowe związki powstałe w wyniku różnych reakcji chemicznych dyfundują w elektrolicie, osiadając ostatecznie na elektrodach. Z czasem mogą się one ze sobą łączyć zwierając te ostatnie (rys. 2). Niektóre reakcje mogą ponadto zachodzić bardzo gwałtownie. Powoduje to wzrost ciśnienia wewnętrznego akumulatora. Wcześnie ujawniają się również takie problemy, jak słabość połączeń konstrukcji zasobnika oraz nieszczelności w jego obudowie. Spowodowane nimi wycieki elektrolitu oraz wnikanie wilgoci do wnętrza urządzenia znajdują odzwierciedlenie w jego niższej wydajności.

Z różnych przyczyn akumulator może się też przedwcześnie zużyć. Jest to powodowane głównie stopniową zmianą właściwości materiałów aktywnych. Inne przyczyny to m.in. postępujące niszczenie materiałów, z których wykonano separatory oraz uszczelnienia urządzenia. Akumulator zużywa się szybciej również na skutek samorozładowania, czyli samoistnego wyładowania zasobnika, który nie jest połączony z odbiornikiem energii elektrycznej.

Testy

Aby wykryć problemy, które mogą wystąpić zaraz po oddaniu akumulatora do użytku ich producenci przeprowadzają różnego typu testy. Sprawdzane i mierzone są m.in.: wymiary i waga zasobnika, szczelność jego obudowy, stan zacisków, poziom oraz gęstość elektrolitu oraz napięcie akumulatora obciążonego i nieobciążonego, napięcie ładowania, charakterystyka wyładowania i rezystancja wewnętrzna. Oprócz pomiarów elektrycznych oraz geometrycznych przeprowadza się również na przykład inspekcję rentgenowską, która ułatwia wykrywanie m.in. ciał obcych wewnątrz akumulatora, zwarć elektrod oraz nieszczelności. Sprawdzana jest także temperatura ogniw w czasie ładowania oraz podczas normalnej pracy. Jego przegrzewanie się może być bowiem oznaką różnych usterek.

Duża konkurencja na rynku sprawia, że czas wprowadzenia produktu na rynek ma ogromne znaczenie dla opłacalności jego wytwarzania na masową skalę. Zatem akumulatora, którego przewidywany czas użytkowania wynosi dwadzieścia lat z oczywistych względów nie można testować tyle czasu. Tymczasem z punktu widzenia użytkowników bardzo ważna jest informacja o tym, jak parametry tego urządzenia będą się zmieniać po jego dłuższym używaniu. Aby takie dane uzyskać producenci przeprowadzają tzw. testy przyspieszone (Highly Accelerated Life Test - HALT), w których zasobniki poddawane są działaniu czynników sprzyjających wystąpieniu awarii. Są to na przykład skrajnie niskie oraz skrajnie wysokie temperatury oraz duża ich zmienność. Bada się również wytrzymałość akumulatorów na uderzenia i wibracje o różnych amplitudach i częstotliwościach oraz na oba te wymuszenia równocześnie.

Podczas takich testów wykrywane są na przykład połączenia elementów ogniw, które z czasem rozluźniłyby się oraz separatory, które początkowo sprawne w końcu uległyby uszkodzeniu. Te ostatnie na tej podstawie można przeprojektować, pogrubić lub wykonać z innego materiału. W czasie testów HALT akumulatory przechodzą także dużą liczbę cykli ładowania / rozładowania. Sprawdza się również ich podatność na samorozładowanie. W tym celu zasobniki dzieli się na grupy, które są przez różny okres magazynowane w różnych temperaturach. O ile bowiem nie wystąpi zwarcie wewnątrz ogniwa proces ten postępuje wyłącznie w wyniku reakcji chemicznych, na których szybkość największy wpływ ma właśnie ta wielkość. Po określonym czasie akumulatory rozładowuje się, wyznaczając w ten sposób ich rzeczywistą pojemność. Na tej podstawie szacuje się szybkość postępu samorozładowania.

Bezpieczeństwo

Rys. 2. Zanieczyszczenia wewnątrz akumulatora mogą spowodować zwarcie elektrod

Akumulatory są budowane w taki sposób, aby energia chemiczna w nich zgromadzona była stopniowo uwalniana w postaci energii elektrycznej dostarczanej odbiornikom. Niekontrolowane i gwałtowne jej wyzwolenie powoduje wzrost temperatury, który może doprowadzić do pożaru lub wybuchu. Odłamki z takiej eksplozji mogą pokaleczyć ludzi znajdujących się w najbliższym otoczeniu lub uszkodzić sąsiednie urządzenia. W czasie pożaru zniszczeniu ulega też zasilany odbiornik. Ponadto podczas takich zdarzeń do otoczenia wyciekają toksyczne i powodujące korozję ciecze, wydzielają się także trujące gazy.

Co jakiś czas pojawiają się informacje o przegrzewaniu się, a nawet wybuchach oraz pożarach urządzeń elektronicznych spowodowanych awarią zasilających je ogniw. Problemy te dotyczą m.in. telefonów komórkowych, laptopów, a nawet samolotów, na pokładzie których znajdowały się urządzenia zasilane bateryjnie. Przykładowo w latach 1991-2010 roku Federalny Urząd Lotnictwa USA odnotował ponad sto przypadków zdarzeń polegających na podwyższeniu temperatury, pojawieniu się dymu, ognia lub eksplozji wywołanych awarią zasobnika energii elektrycznej. Przyczyną takich incydentów były zarówno akumulatory, m.in. litowo-jonowe, niklowo-kadmowe i kwasowo-ołowiowe, jak i "zwykłe" baterie.

Przyczyny problemów

Akumulatory ulegają awarii albo z powodu defektów w ich konstrukcji, albo w wyniku ich niewłaściwego używania. Te pierwsze to na przykład wewnętrzne zwarcia elektrod. W czasie korzystania z tych urządzeń dojść może też do szeregu zdarzeń spowodowanych celowym lub nieumyślnym działaniem ich użytkowników. Przykładem jest zwarcie zacisków, upuszczenie, zgniecenie, przedziurawienie lub uszkodzenie jego obudowy w inny sposób. Niebezpieczne jest też wystawianie tego urządzenia na działanie skrajnych czynników środowiskowych, na przykład wysokich temperatur, wibracji lub ognia oraz jego rozkładanie na części. Przeładowanie akumulatora lub jego nadmierne rozładowanie, używanie jednocześnie starych oraz nowych baterii lub zasobników różniących się pojemnością również nie jest zalecane.

O tym jak efektywnie i na ile bezpiecznie energia jest dostarczana do akumulatora w czasie jego ładowania oraz z niego uwalniana podczas jego rozładowywania decyduje szereg czynników.

Eksperci przyznają, że najczęstszą przyczyną reklamacji jest eksploatacja bez uwzględnienia wskazówek zawartych w instrukcji obsługi. Jeżeli te są przestrzegane reszta zależy przede wszystkim od właściwości elektrolitu oraz konstrukcja baterii. Właściwie zaprojektowany akumulator będzie sprawny przez długi czas i w różnych warunkach otoczenia.

Środki bezpieczeństwa

W celu zwiększenia gęstości mocy akumulatorów ich producenci najchętniej korzystaliby z materiałów oraz związków chemicznych, które reagują ze sobą bardzo silnie. Niektóre takie połączenia niestety równocześnie stanowią większe zagrożenie w razie uszkodzenia baterii. Dlatego konieczny jest kompromis. Przykładowo początkowo w ogniwach litowo-jonowych elektrody wykonywano z tlenku litowo-kobaltowego, który zapewniał bardzo dużą gęstość energii. Stopniowo jest on jednak zastępowany, na przykład przez tlenek litowo-manganowy i fosforan litu, dzięki którym ogniwa mniej się przegrzewają. Niestety jednocześnie akumulatory tego typu mają nieco mniejszą pojemność. Do elektrolitu z kolei dodawane są inhibitory, które mają właściwości samo gasnące lub opóźniające rozprzestrzenianie się płomienia.

W wypadku ogniw dużej mocy ważne jest też zapewnienie możliwości skutecznego odprowadzania nadmiaru ciepła. Jeżeli bowiem akumulator zacznie się przegrzewać elementem, który może ulec uszkodzeniu w pierwszej kolejności jest separator. Ponieważ jest on z reguły wykonywany z tworzywa sztucznego może się zniekształcić lub stopić. W najgorszym przypadku może to doprowadzić do zwarcia elektrod. Aby temu zapobiec m.in. separatory wykonuje się ze specjalnych, bardzo sztywnych materiałów, odpornych na skrajnie wysokie temperatury lub z elastycznych tworzyw sztucznych pokrytych powłoką z proszkiem ceramicznym, która zapobiega kontaktowi między elektrodami.

Ochrona na wypadek zwarcia, kontrola ciśnienia

Stosowane są również specjalne tworzywa sztuczne, których impedancja gwałtownie rośnie po przekroczeniu określonej temperatury. W czasie topienia się takiego materiału jego pory zamykają się. Proces ten jest niestety nieodwracalny. Kiedy zwarcie elektrod już nastąpi można jedynie odłączyć akumulator izolując go od ładowarki lub obciążenia. Chociaż nie rozwiązuje to problemu jest powszechnie stosowanym środkiem bezpieczeństwa. W celu wykrycia takiego stanu system zarządzania baterią monitoruje napięcie jej ogniw. W razie jego gwałtownego spadku izoluje akumulator.

Jeżeli ogniwo zaczyna się przegrzewać w jego obudowie szybko rośnie też ciśnienie wewnętrzne. Może to doprowadzić do jej pęknięcia lub wybuchu. By temu zapobiec wyposaża się je w odpowietrzniki. W ogniwach stosowane jest również specjalne zabezpieczenie (circuit interrupt device). Odłącza ono prąd w razie wzrostu ciśnienia w ogniwie powyżej określonej wartości. Podstawowym zabezpieczeniem akumulatora jest oczywiście odpowiednio wytrzymała obudowa.

Monika Jaworowska