Ученые из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» разработали систему раннего обнаружения теплового разгона литий-ионных аккумуляторов. Приборы помогут выявлять опасные процессы и предотвращать самопроизвольное воспламенение устройств, оснащенных такими батареями.
«Сегодня литий-ионные аккумуляторы используют в мобильных телефонах, планшетах, электросамокатах, робототехнике и даже центрах обработки данных. Один из рисков при их эксплуатации – возникновение теплового разгона. Этот процесс сопровождается повышением температуры и может привести к возгоранию», – рассказала руководитель проекта, старший преподаватель кафедры «микро- и наноэлектроники» НИЯУ МИФИ Юлия Шалтаева.
В некоторых случаях температура может достигать 1000 градусов, пояснила Юлия Шалтаева. К тепловому разгону могут привести глубокий разряд или, наоборот, перезарядка аккумулятора, неисправное или несовместимое зарядное оборудование, а также различные механические повреждения. Кроме того, опасные процессы могут спровоцировать нарушение режимов эксплуатации или использование старых батарей. Также они могут иметь производственный брак.
Как объяснила Юлия Шалтаева, один из подходов к повышению безопасности таких устройств связан с ранним выявлением признаков теплового разгона. В частности, газоаналитические методы позволяют на начальной стадии нагрева обнаружить изменения в составе воздуха и вовремя принять меры.
«Разработка представляет собой линейку приборов. Это компактные устройства, внутри которых размещены полупроводниковые и электрохимические датчики. Первые из них, более распространенные, помогают обнаружить метан и углеводороды. Электрохимические в целом расширяют спектр обнаруживаемых газов. Комбинация датчиков зависит от типа аккумулятора, который нужно защищать», – отметила эксперт.
В настоящее время приборы протестировали в лаборатории и полевых условиях, сказала она. В ходе испытаний сенсоры, к примеру, на расстоянии 5 м зафиксировали опасный нагрев батарей беспроводных наушников.
Как сообщила специалист, на первом этапе инженеры ориентировались на малый и средний бизнес – предприятия, связанные с производством, эксплуатацией и хранением литий-ионных аккумуляторов. В частности, разработка будет полезна на складах электронной техники и на стоянках электросамокатов, автомобилей и автобусов. В дальнейшем ученые планируют создать линейку портативных устройств для частных пользователей.
Как пояснила Юлия Шалтаева, опасность представляют случаи, когда пользователи на длительное время оставляют телефоны, наушники или самокаты включенными на зарядку, а сами уходят или ложатся спать. В такой ситуации тепловой разгон может начаться незаметно, а к моменту обнаружения, когда появляется дым или открытый огонь, горение уже трудно остановить.
«Часто люди пытаются ликвидировать возгорание самостоятельно. При этом интуитивно кажется, что нужно использовать воду. Однако при горении внутри литий-ионных аккумуляторов выделяются кислородсодержащие соединения, и горение продолжается даже при ограниченном доступе воздуха. Заливать водой или накрывать одеялом такое горение неэффективно», – пояснила она.
По ее словам, «умные» сенсоры помогут, когда температура еще не достигла критических значений и у человека остается время для безопасных действий. На этом этапе система способна подать сигнал об опасности или послать команду, чтобы автоматика отключила устройство от сети.
Одно из дальнейших направлений разработок – создание соответствующих программных комплексов. Возможны различные специфические решения, например для косвенного выявления «шпионского» софта на смартфонах по аномальному нагреву аккумулятора.
«Проблема самовозгорания литий-ионных аккумуляторов – критическая для разных сфер. Существующий подход к ее решению – пассивный контроль с помощью внешних датчиков температуры и напряжения. Но он часто неэффективен, так как срабатывает уже на стадии необратимого теплового разгона», – рассказал заведующий кафедрой «радиотехника и радиоэлектронные системы» Пензенского государственного университета Александр Тычков.
Чтобы ускорить распознавание опасных процессов, можно дополнить газоаналитические комплексы интеллектуальными алгоритмами, добавил он.
«Сегодня для мониторинга этой угрозы используют системы управления аккумуляторами, температурные датчики, тепловизионный контроль, газоанализаторы и так далее, но универсального и недорогого средства для массового применения пока нет. Если разработка будет надежно фиксировать характерные газы, она существенно повысит безопасность устройств с литий-ионными батареями», – добавил эксперт Национальной технологической инициативы по новым материалам и технологиям Евгений Вишневский.
По его словам, технология будет востребована на объектах, где одновременно эксплуатируется или хранится большое количество аккумуляторов, – в парках электробусов, сервисных центрах, на складах электроники, в зарядных хабах и системах накопления энергии. Именно там, где ущерб от одного пожара может исчисляться миллионами рублей. При этом для пользователей смартфонов и другой бытовой техники такие приборы вряд ли станут массовым продуктом из-за высокой стоимости.
«Специализированные методы могут показывать актуальные параметры батареи и делать относительно точные прогнозы насчет ее будущего состояния. Но нагрев или тем более взрыв не могут быть связаны с установкой на смартфон шпионского программного обеспечения. На нынешнем этапе развития технологий такой софт может работать годами, не вызывая повышения температуры аккумулятора», – отметил эксперт по программным продуктам компании «Код безопасности» Максим Александров.
По его словам, батареи смартфонов чаще всего выходят из строя из-за неправильной эксплуатации – механических повреждений, переохлаждения или большого количества циклов глубокого разряда. Спровоцировать опасный нагрев может и чрезмерная нагрузка на устройство, например длительный запуск ресурсоемких приложений и современных мобильных игр.