Lítiumion-akkumulátorok biztonsága: milyen védelmek vannak, és mit nem tudnak?

Röviden: az akkumulátorok nagy energiát tudnak hirtelen leadni, ezért a lítiumion akkumulátorokba védelmeket építenek: a cellákba beépített eszközöket és külső elektronikát is. A védelem azonban nem szünteti meg a kockázatot. Ez általános ismertető, nem használati útmutató.

Miért kell védelem?

Az akkumulátorok nagy energiát tudnak felszabadítani. A hordozható alkalmazásokra szánt nikkel- és lítiumalapú cellák és akkumulátorok biztonsági követelményeit az IEC 62133 szabvány harmonizálja, amely 2012-ben lépett hatályba, hogy csökkentse a szállítás, a tárolás és a használat globális kockázatát. A lítiumion akkumulátorcsomagoknál a védelmi áramkör kötelező.

A cellába épített védelmek

A forrás szerint egy lítiumion cella biztonsága a következő eszközök egy részével vagy mindegyikével kezdődik:

• PTC (pozitív hőmérsékleti tényezős elem): normál működésnél kicsi az ellenállása, de egy kritikus hőmérséklet fölött megnő, és csökkenti az áramot. Visszafordítható: a hőmérséklet normalizálódása után újra jól vezet.
• CID (áramkör-megszakító): biztosíték jellegű elem, amely tartósan megszakítja az áramkört, ha a cellában túl nagy lesz a nyomás, a hőmérséklet vagy a feszültség, a kialakítástól függően. A forrás szerint a nyomásra működő változat 1000 kPa körüli nyomásnál old le.
• Szellőzőszelep: túlnyomás esetén kiengedi a gázt, a forrás szerint 3000 kPa-nál.
• Szeparátor: egy bizonyos hőmérsékleti küszöb fölött megolvad, és akadályozza az ionok áramlását.

A védelmi eszközöknek maradék ellenállása van, ami kismértékben rontja a teljesítményt. Nem minden cellában van beépített védelem, ilyenkor a biztonságért az akkumulátorkezelő rendszer (BMS) felel.

A forrás szerint a PTC és a CID jól működik a kisebb, 2–3 cellás csomagokban, de a nagyobb, többcellás akkumulátorokban (például szerszámgépeknél) gyakran elhagyják, mert a lekapcsolás kaszkádszerűen mehet végbe: ha néhány cella korán lekapcsol, a terhelő áram túlterheli a többit, és hőkiszabadulás alakulhat ki, mielőtt a többi védelem működésbe lépne.

Külső elektronikus védelem

A cellák belső védelmén túl külső elektronika is védi a csomagot. A forrás szerint az áramkör megakadályozza, hogy bármelyik cella töltéskor 4,30 V fölé menjen, egy biztosíték megszakítja az áramot, ha bármelyik cella felületi hőmérséklete megközelíti a 90 °C-ot, és a mélykisütés elleni vezérlés kb. 2,20 V/cellánál megszakítja az áram útját. A sorosan kötött cellák mindegyikét külön kell feszültségfigyelni, és minél több a cella, annál bonyolultabb a védelem.

Egy sérült védelem veszélyes lehet: ha statikus elektromosság tönkreteszi az akkumulátor védelmi áramkörét, a zárlatos félvezető kapcsoló tartósan bekapcsolt állásban ragad, a felhasználó tudta nélkül. Az ilyen akkumulátor normálisan működik, de nem véd. A forrás szerint a melegedés és a duzzadás a hibás működés korai jele, de egyes akkumulátorok figyelmeztetés nélkül robbannak.

Amit a védelem nem tud megakadályozni

A védelmi áramkör csak a külső visszaélések, például elektromos zárlat vagy hibás töltő ellen véd. Ha a cellán belül van hiba, például mikroszkopikus fémszemcsék szennyezik, a külső védelemnek alig van hatása, és nem tudja megállítani a reakciót.

A forrás megjegyzi, hogy a gyártók nem a „robbanás” szót használják, hanem a „lángolással járó szellőzést” vagy „gyors szétszerelődést”. Ez lassabb és szabályozottabb, mint a robbanás, mégis lehet erőszakos, és sérülést okozhat a közelben lévőknek. Az olcsó töltők egy része csak az akkumulátor védelmére támaszkodik a töltés lezárásakor, pedig a redundancia alapvető a biztonsághoz. A forrás szerint érdemes elismert márkát választani.

Egyszerű irányelvek a forrásból

• Óvatosan kell kezelni és vizsgálni a lítiumion akkumulátorokat.
• Nem szabad rövidre zárni, túltölteni, összezúzni, ejteni, szétroncsolni, idegen tárggyal átszúrni, fordított polaritással használni, magas hőmérsékletnek kitenni, sem a csomagot és a cellákat szétszedni.
• Csak jelölt védelmi áramkörrel rendelkező lítiumion cellákat és jóváhagyott töltőt szabad használni.
• Ha a csomag hőmérséklete szokásos töltésnél 10 °C-nál többet emelkedik, abba kell hagyni az akkumulátor és/vagy a töltő használatát.
• Az elektrolit erősen gyúlékony, az akkumulátor szétrepedése sérülést okozhat.

Mit érdemes megjegyezni?

A védelem több rétegű, de nem teljes: a gyártási hiba és a rossz töltő továbbra is kockázat. A lítiumion kémiák eltérő hőstabilitásáról a típusokról szóló cikkben olvashatsz, a tárolásról az akkumulátorok tárolásáról szóló írásban, az élettartamról pedig a lítiumion élettartamáról szóló cikkben.

Hogy mit szabad ma Magyarországon otthon kiépíteni és bejelenteni, azt a Szabályozás oldalon követjük.