Líthium-iontové batérie sú relatívne novou technológiou. Od svojho uvedenia na trh začiatkom 90. rokov sa však úspešne presadili a postupne nahradili staré technológie. V súčasnej dobe sú líthium-iontové batérie pre náš každodenný život nepostrádateľné pre najrôznejšie použitia. Nielen inteligentné telefóny a tablety získavajú energiu z líthiových článkov, ale dôležitú úlohu zohrávajú tiež v oblasti elektromobility. Líthium-iontové batérie bodujú nielen vďaka vysokej kumulácii energie pri nízkej hmotnosti, ale tiež vďaka technológii rýchleho nabíjania.
Na druhej strane stále častejšie počúvame o nebezpečných udalostiach, ku ktorýcm došlo v súvislosti s líthium-iontovými batériami. V roku 2017 sa požiar parkovacieho domu v Hannoveri postaral o hlavné titulky v novinách – bol spôsobený batériou elektrobicykla. V roku 2018 zomrel muž v Hamburgu pri explózii nabíjačky batérií. Je teda nepochybné, že výbuchy a požiare líthium-ionotvých batérií môžu mať zničujúce následky, ktoré môžu spôsobiť výsoké škody alebo v najhoršom prípade môžu poškodiť zdravie či zmariť ľudské životy. Preto by sa mali nielen jednotlivci, ale predovšetkým spoločnosti naliehavo zaoberať otázkou bezpečnej manipulácie a skladovania týchto batérií. Faktom je, že Zákonník práce a Zákon o bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci zaväzuje zamestnávateľa, identifikovať a posúdiť riziká a stanoviť vhodné ochranné opatrenia.
V našom praktickom sprievodcovi sa podrobne pozrieme na možné riziká vyplyvajúce z líthium-iontových batérií a poskytneme Vám niekoľko cenných tipov, ako zabrániť škodám.
Aby bolo možné posúdiť nebezpečenstvo, ktoré predstavuje ukladanie líthium-iontovej batérie, môže byť veľmi užitočné zistiť, ako to funguje. Dôležité je vedieť, že neexistuje „jedna“ líthium-iontová batéria. Existuje celý rad rôznych systémov ukladania energie, v ktorých sa líthium používa v čistej alebo viazanej forme. V zásade rozlišujeme primárne (nabíjacie) a sekundárne (dobíjacie) články. Všeobecne platí, že druhé menované sú obvykle zmienené, ak hovoríme o líthium-iontových akumulátoroch.
Akumulátor sa v závislosti na požadovanej kapacite a výkone skladá z niekoľkých článkov. Každý líthium-iontový článok sa skladá z kladnej a zápornej elektródy – anódy a katódy. Medzi nimi je iontovo vodivý elektrolyt. Ten zaručuje transport líthiových iontov medzi elektródami počas nabíjania alebo vybíjania. Najznámejšou formou skladovania líthiovej energie sú líthium-iontové akumulátory, v ktorých sa používa kvapalný elektrolyt - napr. známe články 18650. Ďalšou dôležitou súčasťou je separátor. Ten zabraňuje priamemu kontaktu medzi anódou a katódou – a teda skratu. Pri vybíjaní sa líthiové ionty a elektróny uvoľňujú na stane anód. Pri nabíjaní je tento proces opačný.
Ďalším typom sú akumulátory líthium-polymerové. V líthium-polymerovom akumulátore je elektrolyt integrovaný do molekulárnej štruktúry polymerového filmu. Tak zaniká nutnosť separátora a polymerový film umožňuje plochú konštrukciu, a preto sa také zariadenia na ukladanie energie používajú prodovšetým v mobilných telefónoch a notebookoch. Nevýhodou je však výrazná citlivosť voči mechanickému poškodeniu a s tým spojené nebezpečenstvo požiaru. Tenkovrstvový líthiový článok je úložisko energie, v ktorom je elektrolyt nahradený iontovo vodivým plynom. To umožňuje použitie líthiového kovu a tým extrémne vysokú hustotu energie. Táto technológia je v súčasnosti dôležitou súčasťou výskumu líthiových úložísk energie.
Na rozdiel od americkej legislatívy (OSHA), ktorá sa prikláňa skôr ku klasifikácii batérií ako zmesí, európska legislatíva považuje líthium-iontové batérie v súlade s nariadením REACH prevažne za výrobky. Prax ukazuje, že veľa spoločností i bez zákonnej povinnosti, pripravuje a poskytuje bezpečnostné listy k líthiovým batériám. Tie obvykle poskytujú cenné informácie o skladovaní a manipulácii s batériami. Často v nich môžeme nájsť informácie o chemickom zložení, ktoré poskytuje zároveň informácie o možnom nebezpečenstve. V zásade je možné líthiovú batériu rozdeliť na anódu, elektrolyt a katódu.
Anóda je obvykle vyrobená z uhlíka (C), ktorý nepodlieha označovaniu podľa naridenia CLP.
Pre výrobu katódy sa používa množstvo rôznych látok. Presné zloženie materiálu katódy do veľkej miery určuje vlastnosti, ako je životnosť, doba nabíjania a výkon. Na katódu sa často používa železo, mangán, kobalt alebo nikel.
Elektrolyt pozostáva z organického rozpúšťadla a vodivej líthiovej soli. I keď existuje veľké množstvo možných rozpúšťadiel, používa sa ako vodivá soľ takmer výhradne hexafluorofosfát lithný (LiPF6).
Elektrolyt = organické rozpúšťadlo + vodivá líthiová soľ (LiPF6)
Presné chemické zloženie prislušnej zmesi rozpúšťadiel je obvykle tajomstvom výrobcu. Prezeraním rôznych dátových listov je však možné zistiť prehľad o použitých komponentoch. Bod vzplanutia zložiek rozpúšťadla sa pohybuje v rozmedzí od + 160 °C až niečo pod 0 °C. To vysvetľuje tepelnú nestabilitu líthiovej batérie.
Vodivá soľ, o.i., obsahuje tiež fluór (F). Uvoľňovanie kyseliny fluorovodíkovej (HF) v nekoncentrovanej forme môže u poškodenej líthiovej batérie viesť tiež k rôznym nebezpečným situáciám.
So súčasnými výrobnými štandardami sú líthium-iontové batérie relatívne bezpečné. Výrobca spravidla vykonáva rôzne bezpečnostné skúšky ešte pred uvedením (sériových) produktov na trh. Napríklad ich preprava je povolená iba, ak je k dispozícii skúšobný certifikát dľa UN 38.3. Pre získanie tohto certifikátu musí byť úspešne dokončený rad testovacích sérií, v ktorých sú batérie testované za rôznych prepravných podmienok. Medzi ne patrí:
Vzhľadom k tomu, že sú prevádzkové hodnoty batérií pri týchto testoch často nad ich limity, je nutné vykonávať ich za podmienok dodržania špeciálnych bezpečnostných opatrení. Veľa našich zákazníkov tiež vykonáva vlastnú sériu testov, napr. za účelom overenia bezpečnosti batérií v súvislosti s ich výrobkami. Ako bezpečné prostredie pre testovanie líthium-iontových batérií sú často využívané DENIOS technologické bezpečnostné sklady. Viac o týchto skladoch sa dočítate tu.
Pre zvýšenie bezpečnosti líthium-iontových batérií ich môžu výrobci vybaviť rôznymi bezpečnostnými zariadeniami už na úrovni článkov. Pokiaľ je vo vnútri článku použitý horľavý elektrolyt, môžu byť pre zaručenie lepšej ochrany pridané prísady spomaľujúce horenie. Účinným opatrením môže byť tiež umiestnenie batérie do púzdra odolného voči korózii s penou spomaľujúcou horenie.
Napriek všetkému by však manipulácii s líthium-iontovými batériami mala byť venovaná dôkladná pozornosť, pretože pri nej opakovane dochádza k nebezpečeným požiarom. Problémom je, že keď sa niečo stane, následky sú často ničivé. Nebezpečenstvo vyplýva už z konštrukcie akumulárora ako takého. Kde sa používajú materiály s vysokou koncentráciou energie spoločne s vysoko horľavými elektrolytmi, tam veľmi pravdepodobne môže vzniknúť nebezpečná zmes s rizikom požiaru. Obzvlášť nebezpečné je, keď líthiová batéria nekontrolovateľným spôsobom uvoľňuje vlastnú uloženú energiu. Akonáhle generované teplo prekročí bod tavenia separátora, dôjde k nekontrolovateľnej reťazovej reakcii, obávanej teplotnej explózii ("thermal runaway").
Vysoká tepelná energia spočiatku vedie k odparovaniu kvapalného elektrolytu, čo vytvára ďalšie teplo a horľavé plyny. Keď tlak stúpne nad určitý bod, uvoľňujú sa horľavé plyny a vytvárajú so vzduchom zápalnú smes a následne zapália reaktívne líthium. Toto prudké a nekontrolavateľné prehriate hoci len jedného článku, stačí k zahriatiu susedných článkov bloku batérií do tej miery, že dôjde k reťazovej reakcii so závažnými dôsledkami. Akonáhle tento proces začne, trvá len pár minút do vzniku výbušného vyhorenia akumulátora. Tieto požiare líthium-iontových batérií je obtiažne regulovať a oheň sa veľmi rýchlo šíri. Hasiči sa v takýchto prípadoch často snažia zachrániť aspoň susedné oblasti.
Za normálnej prevádzky je používanie líthium-iontových batérií považované za bezpečné. Podľa VDE to však platí iba vtedy, pokiaľ sa s nimi správne zaobchádza. Pokiaľ sa však s líthium-iontovými batériami zaobchádza nesprávne, môžu predstavovať výrazné bezpečnostné riziko. Dokonca nie je možné vylúčiť ani technické závady v podniku.
Nižšie uvádzame 3 bežné príčiny:
Typické riziko pri manipulácii s líthiovými batériami v skutočnosti vzniká pri celkom bežných činnostiach, ako je nabíjanie a vybíjanie. Tu môže dôjsť k elektrickému preťaženiu z niekoľkých dôvodov napr. vďaka nesprávnej nabíjačke. Požiar môže tiež nastať v dôsledku hlbokého vybitia. Pokiaľ sa líthium-iontové batérie dlhšiu dobu nepoužívajú, môžu sa úplne vybiť. Nesprávne skladovacie podmienky sa tiež nemusia napr. zlučovať so skladovacou teplotou odporúčanou výrobcom - chladné vonkajšie teploty v zimných mesiacoch môžu tento efekt podporiť. Tu dochádza k rozkladu kvapalného elektrolytu a v dôsledku toho sa ľahko vytvoria horľavé plyny. Ak sa následne vykoná pokus o dobitie hlboko vybitých líthium-iontových článkov, nemôže byť dodávaná energia správne premenená kvôli nedostatku kvapalného elektrolytu a môže dôjsť ku skratu alebo požiaru.
Pri manipulácii s líthium-iontovými batériami vždy existuje určité riziko ich mechanického poškodenia. Kolízia s vozidlami, pád na tvrdú podlahu alebo nadmerný tlak na batériu pri nesprávnych skladovacích podmienkach, to je len niekoľko príkladov. Ak dôjde k deformácii článkov, môže to viesť k vnútorným skratom a požiaru batérie. Ani poškodenie už v priebehu výroby článkov nie je možné na 100% vylúčiť. V ojedinelých prípadoch môžu častice, ktoré sa počas výroby dostanú do článku, tento článok poškodiť zvnútra. Môžu tu tiež nastať vnútorné skraty.
Extrémne tepelné alebo energetické zdroje môžu zahriať líthiové batérie a spôsobiť požiar v dôsledku tepelného preťaženia. Typickým zdrojom tohto nebezpečenstva je napr. otvorený oheň, rozpálené súčiastky zariadenia alebo skladovanie na priamom slnku.
Všeobecne platí, že rizikový potenciál líthium-iontových batérií rastie tým viac , čím viac energie používané/uskladnené akumulárory môžu akumulovať a čím väčšie je ich skladované množstvo. Toto, ako aj Vaše individuálne prevádzkové podmienky, procesy a organizačné podmienky by mali byť vždy posúdené individuálne ako súčasť posúdenia rizík.
Skladovanie líthium-iontových batérií predstavuje dilemu pre mnohé spoločnosti. Podľa Zákonníka práce a Zákona o bezpečnosti a ochrane zdravia pri práci ste povinní posúdiť riziká v podniku a vykonať náležité ochranné opatrenia. K dnešnému dňu však neexistujú žiadne konkrétne právne predpisy pre skladovanie líthiových úložísk energie, ktoré by mohli byť použité ako vodítko. Je preto na samotných spoločnostiach, aby stanovili a vykonali vhodné opatrenia. Okrem iného, vzhľadom k veľkému počtu rôznych typov batérií v súčasnosti nie je možné vykonať všeobecné prehlásenia o vhodných ochranných opatreniach a koncepciách. Preto je v každom prípade nevyhnutné individuálne posúdenie prípadu. Pri vývoji komplexnej koncepcie ochrany pre Vašu individuálnu skladovaciu situáciu, je vhodné spolupracovať s hasičmi, poisťovňami a ostatnými štátnymi orgánmi. Ako odborníci na skladovanie nebezpečných látok Vám samozrejme tiež radi pomôžeme. Proste sa na nás obráťte! Nižšie nájdete tip na dôležitý zdroj, z ktorého môžete získať ďalšie informácie o bezpečnom skladovaní líthium-iontových batérií:
Každý výrobca poskytuje všeobecné informácie o bezpečnej manipulácii a skladovaní svojich produktov – napr. optimálnych prevádzkových a skladovacích teplotách. Tieto pokyny, ktoré obvykle nájdete v návode na použitie a/alebo v bezpečnostných listoch, je potrebné bezpodmienečne dodržiavať. Z týchto dokumentov môžete tiež vyvodiť závery pre posúdenie rizika.
Ak ide o vychystávanie líthium-iontových batérií vo výrobných závodoch, tu sa odporúča, že by mala byť dodržiavaná denná potreba, t.j. obmedzovať vychystávané množstvo na nevyhnutné minimum. Taktiež by mali byť k dispozícii vhodné hasiace zariadenia. Všeobecne sa odporúča zaobchádzať s líthiovým úložiskom energie ako s nebezpečnou látkou a podľa toho navrhnúť manipuláciu, t.j. vykonať posúdenie rizika, navrhnúť vhodné opatrenia, vypracovať špecifické bezpečnostné pokyny a vyškoliť odborne zamestnancov pri zaobchádzaní s nebezpečnými látkami.
Všeobecné bezpečnostné pokyny pre každodenné zaobchádzanie s líthiom-iontovými batériami je možné zhrnúť do 5 bodov:
Tepelná záťaž môže ovplyvniť nielen životnosť, ale tiež bezpečnosť líthiu-iontových batérií. Nevystavujte zariadenia na akumuláciu energie krátkodobo ani trvalo vysokýmj teplotám alebo zdrojom tepla. Patrí sem i priame slnečné svetlo. Je treba sa tiež vyhnúť dlhodobému vystaveniu chladu, pretože to podporuje hlboké vybitie pri používaní. Ak sa hlboko vybité líthiové úložisko energie znova pripojí k nabíjačke, môže dôjsť k požiaru. Preto dodržiavajte prevádzkové a skladovacie teploty odporúčané výrobcom.
Kontakt s vlhkosťou ( napr. zrážky, kondenzácia alebo striekajúce pary) môže viesť k skratu batérií, preto by ste vždy mali líthiové úložisko energie skladovať na suchom mieste a chrániť ho pred vlhkosťou počas prepravy a používania.
Jednou z najčastejších príčin požiaru batérií, najmä v súkromnom sektore, je používanie nekompatibilných nabíjačiek. Môžu mať napr. vyššie napätie, ako batéria potrebuje a tým ju zničiť. Používajte preto výhradne nabíjačky, ktoré sú určené pre použitie v spojení s Vašim modelom batérie.
Okrem použitia nesprávnej nabíjačky existujú počas nabíjania i ďalšie riziká. Nenabíjajte líthiové batérie dlhodobo, ak ich nepotrebujete. Ani horľavé predmety v blízkosti nie sú dobrý nápad. Pokiaľ je to možné, počas nabíjania vložte batériu na betónovú alebo dláždenú podlahu. Ak chcete batérie neskôr (uskladniť) skladovať, odporúča sa úroveň nabitia (SoC) približne 30%. Tým sa zníži množstvo energie, ktoré môže pri havárii spôsobiť škodu. Pozor: Vždy by mala existovať určitá minimálna úroveň nabitia, aby sa zabránilo hlbokému vybitiu. Tu postupujte podľa pokynov výrobcu.
Mechanická zaťaž môže spôsobiť deformáciu článkov vo vnútri batérie a viesť k vnútorným skratom. Preto sa uistite, či sú zariadenia pre ukladanie líthiovej energie nie sú vystavené nárazom, úderom alebo kolíziám. Keď sa už toto stane, nemali by sa poškodené batérie za žiadnych okolností používať, ale mali by byť okamžite vyňaté z prevádzky a až do riadnej likvidácie skladované oddelene a následne dľa predpisov zlikvidované. Z bezpečnostných dôvodov by ste mali tiež zabezpečiť póly poškodených batérií, napr. pomocou krytov na póly. Líthiové batérie by ste samozrejme nemali rozoberať, otvárať ani drviť.
Čo robiť keď predsalen dôjde k požiaru? Keď líthium-iontová batéria horí, ide o požiar, ktorý je len veľmi ťažké uhasiť. Pokusy o uhasenie inertnými látkami sú väčšinou neúspešné, pretože líthium iontové články samotné vytvárajú kyslík potrebný pre oheň. Pri výbere vhodného hasiaceho prostriedku zohráva úlohu veľkosť a množstvo batérií, ale tiež prevádzkové podmienky. Všeobecne je dôležité posúdiť všetky konkrétne riziká a nebezpečenstvá, ktoré v podniku existujú a v spolupráci s odborníkmi a poisťovniami vypracovať vhodný koncept hasenia a požiarnej ochrany.
Existujú rôzne názory na použitie vody ako hasiaceho prostriedku. Pretože líthium je veľmi reaktívne, niektorí odborníci neodporúčajú jeho styk s vodou. Nedávne výskumy však naznačujú, že väčšie množstvo vody je schopné požiar líthia utlmiť a účinne hasiť. Ako vysvetlenie sa uvádza, o.i., chladiaci efekt, ktorý spomaľuje ohrievanie článkov. Veľké batérie ako napr. batérie horiaceho elektromobilu však pre hasičov vždy predstavujú veľkú výzvu. To je jednoduché vysvetliť na konštrukcii trakčnej batérie.
V zásade sa veľká trakčná batéria skladá z mnohých menších článkov, ktoré sú vzájomne prepojené. Ak sa nejaký článok zahreje, v najhoršom prípade uprostred celého modulu, nevyhnutne sa zahrejú i susedné články. To vedie k reťazovej reakcii, pri ktorej dochádza k veľmi intenzívnemu uvoľňovaniu energie. Ak došlo k tejto reťazovej reakcii od stredu batérie, je takmer nemožné pomocou niektorých druhov hasiacich prípravkov, ako je napr. i voda, požiar zastaviť alebo zahasiť. Pri ochladzovaní vodou dosiahneme iba to, že sa voda dostane len na vonkajšiu vrstvu modulu, príp. kryt batérie. Situácia je odlišná u malých modulov, ktoré sa skladajú z menšieho množstva článkov. Tu má vonkajšie ochladzovanie priamy účinok na reagujúce bunky.
V lete 2019 vydala nemecká spoločnosť VdS informatívny leták na tému „Ochrana Li-Ion batérií spinklerovými systémami“, v ktorom bol klasifikovaný zodpovedajúci stupeň rizika podľa energetického obsahu na skladovaciu jednotku:
Stupeň nebezpečnosti | Riziko | Energetický obsah v kWh / skladovacia jednotka |
---|---|---|
I | Nízke | >1 |
II | Stredné | 1,0 - 50 |
III | Vysoké | >50 |
Odporúča sa skadovanie max. 50 kWh na skladovaciu jednotku (príp. europaletu). To zodpovedá stupňu nebezpečenstva II. Pokusy americkej poisťovne FM – Global a nemeckej GDV ukázali, že šírenie ohňa môže byť v prípade požiaru líthium-iontových batérií v regáloch odvrátené cieleným postrekom zo sprinklerového systému. Poznatky získané z testov však ukazujú, že to platí iba pre malé líthiové batérie zabalené v kartónových krabiciach. Zabezpečenie veľkých batérií spinklerovými systémami je napriek tomu vhodné, pretože i keď spinklerový systém požiar jednotlivých batérií neuhasí, minimálne jeho rozšírenie na susedné batérie aspoň spomalí.
K haseniu požiaru je však treba oveľa väčšie množstvo vody ako pri konvenčných požiaroch. Do hacsiacej vody môžu byť pridané rôzne aditíva, aby sa urýchlil výsledok a príp., aby sa znížilo množstvo potrebnej vody. Pri reakcii existuje tiež riziko, že sa zvnútra článku uvoľnia škodlivé látky, ako je kyselina chlórovodíková alebo kyselina fluorovodíková. Môžu sa uvoľniť vo forme výparov a poškodzovať zdravie pri styku s kôžou alebo vdýchnutí. Počas hasiaceho procesu sa môžu zmiešať s hasiacou vodou, presakovať do zeme (ak nie je k dispozícii vhodné záchytné zariadenie) a spôsobiť ekologickú škodu.
Ďalším hasiacim prostredkom pre hasenie požiaru spôsobeného líthiovými batériami sú aerosólové hasiace zariadenia. Ide o technický systém, ktorý je v neustálej pohotovosti a ktorý sa postará o utlmenie ohňa pri vzniku požiaru do príjazdu HaZZ, ktorí požiar dohasia. Aerosólové hasiace zariadenia podliehajú norme STN EN 15276-1. Aerosólové generátory pri narastajúcej teplote účinne prerušia proces chemického horenia počas 4,5 až 15 sekúnd (v závislosti na modely). Táto technológia je šetrná k životnému prostrediu a nie je škodlivá pre ľudské zdravie (nevytláča kyslík). Vzhľadom k nízkej hmotnosti celého zariadenia a skutočnosti, že nie je potrebné žiadne potrubie, je možná jednoduchá a rýchla inštalácia. Investičné a následné náklady tiež zostávajú nízke, pretože aerosólové hasiace zariadenia nevyžadujú údržbu a majú dlhú životnosť.
Zhášací granulát PyroBubbles tepelne izoluje batériu. Haciaci, príp. izolačný účinok je okamžite aktívny a funguje celkom nezávisle. Predpokladom však je, že batérie sú obklopené dostatočným množstvom zhášacieho granulátu. So špeciálnym zhášacím granulátom PyroBubbles® je možné účinne bojovať proti vzniku požiaru. Zhášací granulát PyroBubbles je schválený pre pevné a kvapalné horľaviny požiarnej triedy A, B, D a F.
PyroBubbles® je granulát o zrnitosti 0,5 – 5 mm, ktorého hlavnú zložku tvorí kremeň. Pri teplote cca 1050 °C sa začína taviť a okolo zroja tepla vytvorí uzavretú tepelne izolačnú vrstvu. PyroBubbles® granulát je univerzálne použiteľný. Je ho možné použiť nielen ako hasiaci prostriedok v boji s požiarom kompaktných úložísk energie, ale aj preventívne ako výplň skladovacích a prepravných nádob, v ktorých sú tieto batérie uložené. Tieto nádoby pre prepravu a skladovanie Li-Ion batérií sú vyrobené z ocele i plastu a disponujú UN schválením.
Zavolajte nám alebo nám napíšte, ozveme sa Vám čoskoro!