Литий-ионные аккумуляторы: почему и когда они представляют опасность химического воздействия на людей?
В последние годы увеличилось использование моторизованных персональных транспортных средств (MPMD), оснащенных двигателем не внутреннего сгорания, таких как скутеры, велосипеды, одноколесные велосипеды, ховерборды и аналогичные устройства. Как и все больше и больше электромобилей, большинство MPMD содержат литий-ионные батареи, которые ценятся за их превосходную долговечность и эффективность накопления энергии.
Как работают литий-ионные батареи?
Литий-ионные батареи, выпускаемые компанией Sony с 1990-х годов, позволяют преобразовывать химическую энергию в электрическую. Они накапливают электрическую энергию, чтобы ее можно было заряжать или разряжать. Литий-ионные аккумуляторы состоят из одной или нескольких ячеек (энергетических отсеков). Эти ячейки защищены упаковкой, которая может различаться по размеру и форме. Каждая ячейка состоит в основном из положительного электрода (катода), отрицательного электрода (анода), электролита (проводник жидких ионов, содержащий растворитель и проводник соли) и сепаратора (физический барьер между анодом и катодом).
Основным химическим соединением катода является металлический литий, такой как диоксид лития-кобальта (LiCoO 2 ). Анод в основном состоит из карбоната лития, такого как графит. Реакция окисления на аноде создает электроны, а реакция восстановления на катоде поглощает их.
Когда аккумулятор заряжается, ионы лития (Li + ), хранящиеся в положительном электроде (катоде), переносятся электролитом к отрицательному электроду (аноду), а электроны перемещаются от анода к катоду. Когда батарея разряжается и вырабатывает электрический ток (энергия в виде электричества удаляется из элемента батареи), ионы лития (Li + ) двигаться в обратном направлении. Затем этот электрический ток преобразуется для работы двигателя или электронного устройства.
Представляет ли опасность использование литий-ионных аккумуляторов?
Управление температурным режимом литий-ионных аккумуляторов играет ключевую роль в их сроке службы, производительности и риске для безопасности.
Оптимальная рабочая температура для литий-ионного аккумулятора составляет от 20 до 40°C. Система управления батареями (BMS) включена в большинство литий-ионных батарей, чтобы предотвратить работу батареи при превышении определенного температурного порога (обычно 60°C).
Если температура батареи превысит этот порог, анодное покрытие начнет разлагаться. При температуре выше 70°C электролит начнет испаряться и повышать давление в ячейке, что может привести к механическому повреждению внутри батареи. Тепло увеличивает скорость реакции, что еще больше увеличивает ее температуру. В результате последовательности экзотермических химических реакций в каждой ячейке может быть запущен тепловой разгон, что приводит к эффекту домино до тех пор, пока каждая ячейка батареи не выйдет из строя. Перезарядка, короткое замыкание или наличие внешнего тепла могут вызвать этот тепловой разгон. Неконтролируемое повышение температуры и давления внутри батареи приводит к деградации электролита, который может вытечь (жидкий или газообразный), воспламениться и взорваться.
Электролит состоит из растворителя, в основном состоящего из органических карбонатов и проводящей соли, такой как гексафторфосфат лития (LiPF 6 ). Органические карбонаты в жидкой или газообразной форме имеют высокий риск воспламенения, в то время как гексафторфосфат лития вреден при проглатывании и вызывает серьезные повреждения кожи и глаз в случае контакта. Он также может вызвать повреждение органов в случае длительного или повторяющегося контакта. Если электролит протекает и вступает в реакцию с влагой или водой или воспламеняется, может образоваться плавиковая кислота (HF) в жидкой или газообразной форме. Его концентрация будет зависеть от температуры горения и количества воспламененного электролита.
Плавиковая кислота (HF) представляет двойную угрозу для человеческого организма. Это коррозионный продукт из-за ионов водорода (H + ) кислоты, разрушающих поверхностные слои человеческого тела, и очень токсичный из-за ионов фтора (F – ), которые проникают глубоко в тела и вызывают некроз клеток.
Хелатирование ионов фтора с кальцием и магнием вызывает гипокальциемию и гипомагниемию, а также разрушение подлежащих тканей. Истощение этих элементов приводит к избытку калия и вызывает биологический дисбаланс, который может проявляться в виде сердечных аритмий.
Чем выше концентрация HF, тем раньше пострадавший почувствует последствия воздействия. Например, при концентрации плавиковой кислоты менее 20% боль появляется только через 24 часа после контакта с тканью. Тяжесть и последствия воздействия будут зависеть от количества и концентрации HF и площади пораженной поверхности. Контакт с HF может вызвать серьезные системные эффекты (включая остановку сердца), серьезные ожоги кожи, глаз или желудочно-кишечного тракта, а также раздражение дыхательных путей при вдыхании, включая отек легких.
Помимо фтористоводородной кислоты, при сгорании электролита также образуются и выделяются другие токсичные газы (оксиды углерода).
Что делать и как защитить себя в случае выхода из строя литий-ионной батареи
Хотя литий-ионные батареи надежны и риск возгорания относительно редок, важно помнить о правилах безопасности при обращении, хранении или утилизации из них (см.
инструкцию по эксплуатации, прилагаемую к вашему электрическому устройству). В случае отказа литий-ионного аккумулятора, когда наблюдается выделение газов, очень важно отойти от аккумулятора, чтобы избежать вредных газов, пламени и возможного взрыва.
В случае контакта глаз или кожи с фтористоводородной кислотой (газообразной или жидкой) необходимо как можно скорее начать обеззараживание либо водой (в идеале в течение 10 секунд после воздействия) с последующим применением глюконата кальция, либо с раствором HEXAFLUORINE®. Вода представляет собой пассивный гипотонический раствор, который удаляет химическое вещество с поверхности биологической ткани. Применение глюконата кальция после промывания водой ограничивает действие ионов фтора.
Раствор HEXAFLUORINE® является активным и гипертоническим раствором. Как и вода, раствор HEXAFLUORINE® позволяет удалять HF с поверхности ткани, но, в отличие от воды, он также облегчает экстракцию HF из ткани. Активный агент в растворе HEXAFLUORINE® помогает остановить химическое действие ионов водорода и фтора.
Раствор HEXAFLUORINE® позволяет пользователю немедленно начать процесс извлечения проникшей фтористоводородной кислоты и использовать более длительное время для вмешательства при работе с продуктом, который может быть смертельным. Чтобы протокол обеззараживания был эффективным, необходимо снять одежду и аксессуары. Во всех случаях консультация врача обязательна.
Предупреждение: даже если возгорание литий-ионного аккумулятора потушено, обычно через несколько часов или дней после первоначального инцидента возгорание возобновляется из-за теплового разгона, который может возникнуть снова.
Как удалить коррозию аккумулятора?
Чаще всего мы можем найти устройства, которые хранятся с батареями внутри, и со временем они протекают, высвобождая гидроксид калия. Первое, что вы должны сделать, когда вы видите утечку батареи, это закрыть руки и глаза, а затем удалить батареи. В случае коррозии очистка устройства ватными тампонами, смоченными слабой кислотой, такой как уксус или лимонный сок, может помочь в восстановлении.
С некоторой осторожностью вы можете сохранить устройство и использовать его с новым комплектом батарей.
Из некоторых типов батарей может вытекать жидкость, и в зависимости от устройства, в котором они находятся, они могут повредить электронику. Таким образом, рекомендуется часто проверять батареи устройств, работающих от батарей, и заменять батареи, если обнаружена какая-либо утечка. Батареи работают с использованием химических реакций на основе обычных химических веществ, таких как гидроксид калия, серная кислота. Эти химические вещества также могут вступать в реакцию с корпусом батареи с течением времени и создавать отверстия в корпусе, через которые эти материалы могут просачиваться.
Однако случайное повреждение внешнего корпуса может привести к взрыву батареи. При очистке этих батарей вы должны убедиться, что вы носите надлежащее защитное снаряжение. Литий-ионные аккумуляторы чаще всего используются в мобильных устройствах на основе обратимой химии. Химические вещества могут вытечь, хотя такие случаи очень редки. Даже если химические вещества протекают, они с меньшей вероятностью вступят в реакцию с электроникой по сравнению с другими типами батарей. Однако в редких случаях утечка литиевых батарей может привести к взрыву и очень опасна. Углеродные цинковые батареи имеют конструкцию, аналогичную щелочным батареям, но с пастой из хлорида аммония и хлоридом цинка. Подобно щелочным батареям, паста может изнашивать цинковый корпус батареи, что приводит к утечке и выходу из строя электроники. Аккумулятор может протечь и образовать ржавый беспорядок, что в конечном итоге повредит ваше устройство.
Однако очистить коррозию несложно, если знать шаги и следовать советам. Если коррозия обнаружена достаточно рано, вы можете предотвратить необратимое повреждение устройства. Люди, у которых много устройств с батарейным питанием, должны знать, как очистить коррозию. Утечка батареи происходит, если батареи становятся слишком горячими и жидкость из батареи вытекает на любую поверхность, к которой она прикасается. Метод очистки зависит от типа батареи. Очистку щелочных батарей можно выполнять ватными тампонами, смоченными в уксусе или лимонном соке, поскольку кислота может растворить коррозию. Утечка щелочных батарей происходит в основном из-за водного раствора гидроксида калия, который является щелочным. Оставшуюся коррозию можно очистить пищевой содой и водой. Если коррозия обширна, зубная щетка с мягкой щетиной будет более полезной. После очистки устройство следует оставить сохнуть. Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют кислотную основу на основе гидроксида кадмия и оксида никеля. Это можно легко очистить с помощью основы, такой как пищевая сода.
Важно утилизировать батареи надлежащим образом и в надлежащем месте. Литиевые батарейки-таблетки безопасны в использовании, но проглатывание этих батарей может быть очень серьезной опасностью. Вы должны избегать выбрасывать батареи в обычный мусор, так как батареи могут выделять опасную жидкость. Утечка из батарей может нанести вред тем, кто обращается с отходами, поэтому рекомендуется утилизировать их в пакетах для опасных отходов. На многих мусорных свалках есть одноразовые батареи, или вы также можете найти несколько портов для утилизации батарей в магазинах. При утилизации батареек следует соблюдать осторожность, чтобы не допустить попадания опасных химикатов на кожу или в глаза, поскольку они могут вызвать раздражение. Неопасные щелочные батареи можно просто выбросить в мусор. Неперезаряжаемые батареи обычно не имеют переработчика. Тем не менее, даже при утилизации щелочных батарей, если вы утилизируете много батарей вместе, вы должны проконсультироваться с оператором санитарной свалки о надлежащих методах утилизации.