Пожарные тушили пожар, охвативший электрический автобус BYD E11 с аккумулятором LFP в Шэньчжэне, Китай, 4 мая 2020 г. (SNE Research)
Общественное недоверие к безопасности литий-ионных аккумуляторов с высоким содержанием никеля резко возросло после серии отзывов электромобилей известными автопроизводителями, включая Volkswagen, BMW, Renault, General Motors, Ford и Hyundai Motor.
На фоне растущих опасений литий-железо-фосфатные батареи - батареи LFP, в которых вместо никеля используется железо, - стали более безопасной альтернативой, хотя они менее мощные, чем батареи с высоким содержанием никеля.
Но несмотря на широко распространенное мнение, что батареи с высоким содержанием никеля более склонны к возгоранию, эксперты говорят, что высокое содержание никеля не является прямой причиной и что у LFP-батарей есть свои проблемы с безопасностью.
Не вините никель
Батареи загораются, когда внутренняя температура внезапно превышает определенный предел. Это называется тепловым разгоном. Но никель не является причиной теплового разгона.
Согласно статье китайских исследователей, озаглавленной «Механизм теплового разгона литий-ионной батареи для электромобилей: обзор», тепловой разгон работает как игра в домино, и никель участвует ближе к концу процесса.
Когда батареи нагреваются из-за перезарядки, например, аноды, которые сделаны из графита, реагируют первыми и начинают разрушаться. По мере повышения температуры сепараторы, сделанные из тонкой пластиковой пленки, покрытой керамическим материалом, начинают плавиться, пока не останется только керамическое покрытие. Затем катоды, содержащие металлы, в том числе никель, начинают разрушаться. Наконец, керамическая стенка, стоящая между анодами и катодами, оказывается под угрозой, позволяя анодам и катодам вступать в контакт, что приводит к короткому замыканию и воспламенению электролитов.
Проще говоря, соотношение никеля не имеет значения, поскольку структурный коллапс литий-ионных батарей начинается не с катодов, которые содержат никель, а с анодов, которые сделаны из графита.
«Проблема теплового разгона не имеет отношения к соотношению никеля внутри катодов. Одна из причин теплового разгона - дендриты. Дендриты представляют собой игольчатые кристаллы, которые образуются, когда ионы лития не могут попасть внутрь анодов, а накапливаются на поверхности анодов. Эти кристаллы удлиняются, пока не проникают через сепараторы. Через эти проколы аноды и катоды замыкают контакты, тем самым вызывая короткое замыкание и, в конечном итоге, возгорание», - сказал Чо Ын Э, профессор материаловедения и инженерной безопасности Корейского передового института науки и технологий.
«Эта проблема с кристаллической иглой также возникает внутри батарей LFP», - добавил эксперт.
Но как только происходит короткое замыкание, в батареях с высоким содержанием никеля вероятны более серьезные возгорания, потому что никель выделяет больше энергии, чем батареи LFP, сказал Сон Ян Гук, профессор энергетики в университете Ханьян.
Риски LFP
Батареи LFP не защищены от теплового разгона, поскольку они имеют ту же структуру, что и литий-ионные батареи. Аноды и катоды расположены с каждой стороны с разделителями посередине, и оба типа батарей заполнены легковоспламеняющимся раствором электролита.
«Батареи LFP, в которых используются жидкие электролиты, всегда имеют риск возгорания. Раньше считалось, что батареи LFP всегда безопасны и не взрываются. Однако после ряда сообщений о пожарах на электромобилях, питаемых от батарей LFP, такое мнение утихло», - сказал аналитик SNE Research Майкл Ким.
Аналитик упомянул три случая возгорания электромобилей в Китае, в которых автомобили были оснащены батареями LFP.
В одном из таких случаев (21 декабря) загорелся электромобиль Tang EV китайского производителя BYD, который был припаркован на дороге в Шэньчжэне. Никто не пострадал. BYD не делал официального объявления об этом.
Официальные записи о возгорании электромобилей в Китае редки, и их чрезвычайно сложно найти, сказал представитель южнокорейской компании по производству аккумуляторов, у которой есть офис в Китае.
Основные производители аккумуляторов LFP включают китайские CATL, BYD, Guoxuan и EVE Energy. Все три основных производителя аккумуляторов в Южной Корее - LG Energy Solution, Samsung SDI и SK Innovation - производят только литий-ионные аккумуляторы.
Хотя литий-ионные батареи дороже, чем батареи LFP, они предлагают большую мощность, что означает больший запас хода. Согласно данным Hyundai Motor, удельная энергия батарей LFP составляет от 170 до 200 ватт-часов на килограмм, что аналогично плотности энергии батарей NCM, состоящих на 50 процентов из никеля.
LG Energy Solution планирует выпустить литий-ионные батареи, состоящих на 90 процентов из никеля, во второй половине этого года. В тот же период Samsung SDI планирует представить литий-ионные аккумуляторы, состоящие на 88 процентов из никеля. SK Innovation разрабатывает литий-ионные батареи с 95 процентным содержанием никеля, и планирует начать их серийное производство в 2023 году.
Ким Бён Ук (kbw@heraldcorp.com)