ГЕНЕЗИС ПЛЮС
Красноярский край, Россия
Россия
Стремительный рост производства и эксплуатации литиевых аккумуляторов в секторах электромобилестроения, портативной электроники и энергетики обуславливает увеличение объемов их транспортировки на всех стадиях жизненного цикла. Актуальность темы подтверждается внедрением нового класс пожаров «L» в стандарт ISO 3941:2026, выделяющего возгорания литий-ионных элементов в отдельную категорию опасности. В статье проведен сравнительный анализ конструктивных элементов литий-ионных аккумуляторов и их влияния на параметры теплового разгона. Выполнен обзор нормативной базы и проведен анализ характеристик специализированных контейнеров, представленных на российском рынке. Установлено, что действующие нормы не регламентируют требования к контейнерам для сдерживания развития внутреннего теплового разгона
литий-ионные аккумуляторы, химические источники тока, пожарная безопасность, контейнер для перевозки, транспортная упаковка
ВВЕДЕНИЕ
Глобальный рост производства и потребления электрохимических аккумуляторов, обусловленный развитием электромобилестроения, портативной электроники и систем накопления энергии, приводит к существенному увеличению объемов их транспортировки. Логистические операции с химическими источниками тока охватывают все стадии жизненного цикла изделий – от отгрузки готовой продукции производителем до этапов сбора, транспортирования, утилизации и переработки отработавших батарей. Актуальность обеспечения пожарной безопасности при обращении с данным видом опасных грузов существенно возросла в связи с принятием в 2026 году новой редакции международного стандарта ISO 3941:2026 «Классификация пожаров», в котором введен новый класс пожара – L, специально предназначенные для отнесения пожаров, связанных с литий-ионными элементами и аккумуляторными батареями (при отсутствии металлического лития).
Основная опасность при транспортировке химических источников тока связана с риском термического разгона – неконтролируемой цепной экзотермической реакции внутри элемента. В процессе теплового разгона температура за доли секунды может превысить 600-700 °C, что приводит к интенсивному пожару, выделению токсичных газов, взрывному разрушению корпуса элемента и быстрому распространению теплового потока на соседние ячейки.
Анализ действующих нормативных документов, предъявляющих требования к упаковке опасных грузов [1-4], позволил выявить в них существенный пробел: они направлены на предотвращении начала теплового разгона аккумуляторов, но не содержат требований к сдерживанию последствий уже развившегося пожара. В частности, отсутствуют четкие критерии по теплоизоляционным и прочностным свойствам транспортной упаковки, которые гарантировали бы её работоспособность в условиях полномасштабного возгорания. Обязательные требования предъявляются не только к транспортной упаковке, но и к перевозимому грузу. Для обеспечения безопасной транспортировки литиевых батарей установлено нормативное требование – испытание UN 38.3. Протокол испытаний UN 38.3 включает восемь специальных испытаний, например, тепловой тест, испытание на удар, тест внешнего короткого замыкания.
На североамериканском рынке производители аккумуляторов должны получить сертификат UL 9540A, чтобы экспортировать свою продукцию. Этот стандарт направлен на обеспечение безопасности, надежности и стабильности аккумуляторных систем хранения энергии, предотвращение потенциальных опасностей. UL 9540A фокусируется на поведении систем хранения энергии в условиях перегрева. В рамках испытаний проверяют параметры установки, требования к вентиляции, средства пожаротушения, стратегии пожарной безопасности и меры реагирования.
Процесс испытания разделен на четыре уровня:
- Уровень ячейки: определяется метод и параметры перегрева ячейки, температура вентиляции и температура перегрева.
- Уровень модуля: собираются данные о распространении огня в модуле, температуре неисправных ячеек, содержании газов и выделении тепла.
- Уровень блока (шкафа): оценивается степень распространения перегрева в блоке схемы хранения энергии, измерение температуры и теплового потока целевого блока.
- Уровень установки: оценка степени распространения перегрева и эффективности мер пожаротушения.
Таблица 2.3А «Правил перевозки опасных грузов» (DGR IATA) устанавливает требования к опасным грузам, перевозимых на авиатранспорте. Согласно этим правилам запрещается перевозить багажи со встроенными литиевыми батареями, в которых количество лития не превышает 0,3 г или энергоемкость которых более 2,7 Вт•ч. Содержание металла лития в литий-металлических батареях не должно превышать 2 г, а удельная мощность литий-ионных батарей в ватт-часах не должна превышать 100 Вт•ч. Устройства должны быть защищены от повреждения и непреднамеренного включения.
Стремительный рост объемов перевозок химических источников тока в сочетании с высокой аварийностью и уникальными физико-химическими процессами, протекающими при возгорании, формирует потребность в систематизации знаний о существующих средствах противопожарной защиты. Проведение комплексного обзора технических решений является не просто исследовательской задачей, а критически необходимым условием для обеспечения пожарной безопасности транспортной инфраструктуры.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Конструктивно химический аккумулятор представляет собой многослойную систему, надёжность и безопасность которой определяются характеристиками каждого элемента. Основные компоненты включают:
- Анод (отрицательный электрод). Состоит из соединения с интеркалированным литием, покрывающим металл. Наиболее распространённым анодным материалом является углерод (преимущественно графит), применяемый в порошкообразной форме с добавлением связующего. Свойства углеродного покрытия существенно зависят от происхождения графита (природный или синтетический), чистоты, гранулометрического состава, морфологии частиц и кристаллической структуры [5].
- Катод (положительный электрод). Выполнен на основе литиевых оксидов переходных металлов, состав которых определяет энергетические, мощностные и безопасностные характеристики ячейки. Наибольшее распространение получили следующие катодные материалы, характеристики которых приведены в таблице 1.
Таблица 1. Сводная таблица характеристик катодных элементов [6]
|
Материал |
Формула |
Удельная энергия |
Термостабильность |
Основное применение |
|
LCO |
LiCoO₂ |
высокая |
низкая |
портативная электроника |
|
LFP |
LiFePO₄ |
умеренная |
высокая |
электротранспорт |
|
NMC |
LiNiMnCoO₂ |
высокая |
умеренная |
электромобили |
|
NCA |
LiNiCoAlO₂ |
очень высокая |
низкая |
электромобили (Tesla) |
- Электролит. Токопроводящая жидкая или гелеобразная среда, обеспечивающая транспорт ионов лития между электродами. Как правило, представляет собой легковоспламеняющийся раствор литиевой соли (например, гексафторфосфата лития) в смеси органических карбонатов (этиленкарбонат, диметилкарбонат и др.). Горючесть электролита является одним из ключевых факторов пожарной опасности ЛИА.
- Сепаратор. Микропористая полимерная мембрана (чаще всего полиолефиновая), разделяющая анод и катод для предотвращения прямого электрического контакта, но обладающая ионной проницаемостью. Нарушение структурной целостности сепаратора при перегреве приводит к внутреннему короткому замыканию.
- Корпус (оболочка). Герметичная ёмкость из стали, алюминия или многослойного ламината на основе алюминиевой фольги, обеспечивающая механическую защиту элементов и изоляцию внутренней среды от внешней, а также предотвращающая утечку электролита.
Проведенный анализ конструктивных элементов литиевых аккумуляторов позволяет сделать ключевой вывод: пожарная опасность аккумуляторов не является универсальной величиной, а во многом определена конструктивным исполнением и выбранными электрохимическими материалами. Критически важным аспектом является то, что даже аккумуляторы с одинаковой химией могут демонстрировать различное поведение при аварийных режимах в зависимости от конструктивных факторов:
- тип корпуса (цилиндрический, призматический, пакетный);
- толщины и термических характеристик сепаратора;
- наличия и настройки предохранительных клапанов;
- качества сборки.
Например, нарушение целостности сепаратора или локальный перегрев могут инициировать внутренней короткое замыкание, которое в герметичном стальном корпусе приводит к взрывной разгерметизации, выбросу пламени и горючих газов [7].
С учетом изложенного, далее предполагается провести анализ существующих на российском рынке специализированных контейнеров для литиевых аккумуляторов. В настоящее время существуют различные конструктивные исполнения контейнеров для перевозки литиевых аккумуляторов, которые отличаются функционалом, материалом из которого они изготовлены.
- Защитный контейнер DION LI-SAFE 3000 (рис 1) предназначен для безопасного хранения и транспортировки литий-ионных аккумуляторов, в том числе и поврежденных батарей [8]. Корпус выполнен из углеродистой стали толщиной около 5мм, обеспечивая механическую прочность. Огнезащитный слой - интумесцентный материал, нанесённый на стыки крышки и корпуса; при нагреве расширяется, формируя теплоизолирующий коксовый слой и обеспечивая герметичность. Внутренняя теплоизоляция выполнена из негорючего экологически безопасный композитный материал с заявленной огнестойкостью до 120 минут [8]. Однако отсутствуют данные о коэффициенте теплопроводности теплоизоляционного материала. Также в контейнере DION LI-SAFE 3000 имеются дополнительные функциональные элементы: устройство контроля температуры, стальной сливной узел для отвода электролита, клапан сброса избыточного давления с пламегасителем, вентиляционное отверстие с защитной сеткой.
- Транспортно-упаковочный комплект для перевозки АКБ [9] представляет собой герметичную емкость, предназначенную для транспортировки широкой номенклатуры ЛИА: от компактных батарей портативной электроники и электроинструментов до высоковольтных модулей электромобилей. Данный комплект оснащен датчиком контроля температуры, водозаборной и сливной конструкциями, вентиляционным отверстием и клапаном сброса давления. Наружная конструкция выполнена из углеродистой стали толщиной 5мм, что обеспечивает механическую прочность, ударостойкость и способность сдерживать избыточное давление при аварийных сценариях. Внутренняя часть аналогично контейнеру DION LI-SAFE 3000 выполнена из огнезащитного уплотнения. Внутреннее наполнение выполнено из стеклогранулята размерами 0,5-5мм, гранулы которого состоят в основном из диоксида кремния. Следует отметить, что поставки стеклогранулята в настоящее время приостановлены на территории РФ, что подтверждает актуальность проведения импортозамещения и поиска новых материалов и решений по обеспечению безопасной транспортировки химических источников тока. Производитель [9] осуществляет изготовление различных типов и размеров аналогичных контейнеров для безопасной транспортировки литиевых аккумуляторов.
- Крупногабаритный пластиковый контейнер для транспортировки АКБ. Изготовлен из HDPE полиэтилена, не подверженного коррозии и устойчивого к воздействию большинства агрессивных веществ [10]. Предназначен для организации хранения и транспортировки аккумуляторов для электровелосипедов, электросамокатов, электроинструментов, для ноутбуков и мобильных устройств, автомобильных аккумуляторов, аккумуляторов для электромобилей и т.д. Несмотря на преимущества в виде заявленной химической стойкости и низкого веса, конструкцией не обеспечивается достаточный уровень пожарной безопасности литиевых батарей, склонных к тепловому разгону, так как температурный интервал стабильности HDPE полиэтилена составляет около 300 °С, что значительно ниже критических температур, развивающихся при тепловом разгоне современных химических источников тока. Также следует отметить, что данный вид упаковки может дополнять состав пожарной нагрузки на транспорте, повышая риск распространения пожара.
- Патент DE2020160017997U1 [13] описывает транспортное устройство для литиевых батарей в самолете. Устройство представляет собой контейнер и крышку, в котором размещаются литиевые батареи. Крышка герметично закрывает контейнер во время перевозки. Контейнер имеет внутреннее пространство или полость, в которой можно разместить множество литиевых батарей. Согласно одному из вариантов конструктивных решений, контейнер может быть оборудован запорным клапаном, который нейтрализует или выводит наружу выделившийся электролит из литиевых батарей внутри контейнера. Запорный клапан может срабатывать в ответ на изменение внутреннего давления в контейнере. Согласно другому предпочтительному варианту, высвободившийся электролит выводится наружу по трубопроводу, соединенному с запорным клапаном. В данном контексте под запорным клапаном понимается клапан с односторонней проницаемостью, который позволяет среде, например, высвободившемуся электролиту, выходить из контейнера наружу. Высвободившийся электролит, прошедший через запорный клапан, может быть выведен за пределы самолета по трубопроводу, чтобы он не находился в грузовом отсеке и не представлял опасности возгорания или взрыва. Еще один предпочтительной вариант гласит, что запорный клапан перекрывает подачу свежего воздуха в контейнер. Запорный клапан может быть шаровым, обратным или перепускным. Другими словами, описанный здесь запорный клапан выводит высвободившийся электролит, в частности в газообразном состоянии, наружу и тем самым предотвращает чрезмерное повышение давления внутри контейнера. В то же время он препятствует поступлению кислорода в виде свежего воздуха, который в сочетании с высвобождающимся электролитом и энергией воспламенения представляет опасность взрыва внутри контейнера. Контейнер может быть оснащен как минимум двумя разделителями, которые делят внутренне пространство контейнера и дают возможность предотвратить распространение огня на соседние литиевые батареи. Не смотря на все свои преимущества, устройство не является универсальным, так как имеет возможность применения только на воздушных судах. Однако при одновременном нахождении большого количества подобных контейнеров может существовать вероятность воздействия, выводимого газообразного или жидкого электролита на соседние контейнеры, запуская цепную реакцию теплового разгона литиевых батарей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведённый аналитический обзор выявил, что действующая российская нормативная база системно не охватывает особенности пожарной опасности литий-ионных аккумуляторов в режиме теплового разгона. Отсутствуют унифицированные обязательные требования к транспортной упаковке, гарантирующие локализацию последствий теплового разгона. Существующие зарубежные стандарты типа UL 9540A, регламентирующие оценку распространения теплового разгона, имеют в настоящее время рекомендательный характер и не всегда адаптированы к отечественным условиям логистических операций. Пожарная опасность груза не является универсальной величиной и существенно зависит от химии катода (LFP, NMC, NCA, LCO) и состояние заряда, что требует дифференцированного подхода к классификации рисков при перевозке, что в настоящее время недостаточно отражено в стандартах упаковки. Анализ рынка специализированных контейнеров продемонстрировал высокий потенциал некоторых образцов к локализации аварии, однако эффективность требует верификации в условиях, моделирующих реальный тепловой разгон. Контейнеры из HDPE вызывают сомнение в обеспечении безопасной транспортировки литий-ионных аккумуляторов в случае аварийной ситуации. Для совершенствования существующих решений и минимизации рисков представляется целесообразным дополнить национальные стандарты требованиями к обязательным испытаниям транспортной упаковки на сдерживание теплового разгона, а также произвести поиск конструктивных материалов для обеспечения огнестойкости контейнеров на основе данных полученных в ходе натурных испытаний теплового разгона литий-ионных аккумуляторов.
1. GOST R 57478-2017. Dangerous goods. Classification. – Introduced 2019-01-01. [Electronic resource]. – URL: https://docs.cntd.ru/document/1200145665.
2. GOST 26319-2020. Dangerous goods. Packaging. – Introduced 2021-07-01. [Electronic resource]. – URL: https://docs.cntd.ru/document/573115898.
3. European Agreement concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road (ADR) : [in 2 vols.]. Vol. 1. [Electronic resource]. – URL: https://www.mid.ru/ru/foreign_policy/international_contracts/international_contracts/multilateral_contract/51343/.
4. European Agreement concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road (ADR) : [in 2 vols.]. Vol. 2. [Electronic resource]. – URL: https://www.mid.ru/ru/foreign_policy/international_contracts/international_contracts/multilateral_contract/51343/.
5. Asenbauer J., Eisenmann T., Kuenzel M., Kazzazi A., Chen Z., Bresser D. The success story of graphite as a lithium-ion anode material – fundamentals, remaining challenges, and recent developments including silicon (oxide) composites // Sustainable Energy & Fuels. – 2020. – Vol. 4, No. 11. – P. 5387–5416. – DOI:https://doi.org/10.1039/D0SE00175A.
6. Marie J.J., Gifford S. Developments in lithium-ion battery cathodes // Faraday Insights. – 2023. – Issue 18, September. – Faraday Institution.
7. Orlov O.I., Komelkov V.A. Fire hazard of lithium-ion batteries [in Russian] // Modern Problems of Civil Protection. – 2023. – No. 4 (49). – P. 177–189.
8. Transportation of lithium batteries [Electronic resource] // Megapolisresource : website. – URL: https://eco2eco.ru/utilizaciya/transportirovka-litievyh-akkumulyatorov/.
9. Container for safe transportation of faulty and operational lithium-ion batteries, 620×700×1000 mm [Electronic resource] // PromNagrev : official website. – URL: https://www.promnagrev.ru/hranenie-i-transportirovka-opasnyh-veschestv/ochistka-i-utilizaciya/konteynery-dlya-litiy-ionnyh-akkumulyatorov/konteyner-dlya-bezopasnoy-transportirovki-neispravnyh-i-rabochih-litiy-ionnyh-akkumulyatorov-620-700-1000-mm/.
10. Polypropylene container, 515 L capacity (1200×800×800 mm), for transportation of lithium-ion batteries [Electronic resource] // PromNagrev : official website. – URL: https://www.promnagrev.ru/hranenie-i-transportirovka-opasnyh-veschestv/ochistka-i-utilizaciya/konteynery-dlya-litiy-ionnyh-akkumulyatorov/konteyner-pp-515-litrov-1200-x-800-x-800-mm/.
