Литий-ионные аккумуляторы благодаря высокой удельной энергии, длительному сроку службы и низкому саморазряду стали доминирующим источником питания для портативной электроники и электромобилей [1]. Однако их широкое применение сопровождается серьёзными проблемами безопасности, наиболее критичной из которых является явление теплового разгона — неконтролируемого саморазогрева, приводящего к возгоранию, взрыву и выделению опасных веществ [2, 3].

Тепловой разгон является сложным многостадийным процессом, инициируемым внешними воздействиями (перезаряд, перегрев, механическое повреждение) или внутренними дефектами. В ходе него происходят необратимые экзотермические реакции разложения компонентов аккумулятора: твёрдого электролитного межфазного слоя, электролита, связующих материалов и активных масс электродов [4, 5]. Эти реакции сопровождаются интенсивным выделением тепла и газа, что создает угрозу разрушения корпуса элемента, пожара и отравления людей токсичными продуктами разложения.

В контексте обеспечения комплексной безопасности систем с ЛИА важнейшей задачей является не только изучение самого процесса теплового разгона, но и количественная оценка состава и объёма выделяющихся газов. Эта проблема особенно актуальна для замкнутых пространств (жилые помещения, салоны транспортных средств), где даже локальное возгорание ЛИА может привести к быстрому накоплению опасных концентраций токсичных газов, таких как CO, HF, фосфорилфторид и легковоспламеняющихся углеводородов [6].

Механизм теплового разгона и источники газообразования

Тепловой разгон представляет собой каскад самоускоряющихся экзотермических реакций внутри ЛИА. Его типичными триггерами являются:

— Механические воздействия: деформация, прокол, приводящие к внутреннему короткому замыканию.

— Электрические воздействия: перезаряд, глубокий разряд, внешнее короткое замыкание.

— Тепловые воздействия: внешний нагрев, работа в нерасчетных температурных условиях.

— Внутренние факторы: производственные дефекты (например, металлические включения), старение, ведущее к росту дендритов лития.

На рисунке 1 представлена обобщённая диаграмма причин, приводящих к взрывоопасной ситуации в ЛИА.

Рис. 1. Диаграмма, отображающая причины взрыва литий-ионного аккумулятора

Как показано на рисунке 2, процесс теплового разгона включает несколько ключевых стадий, каждая из которых вносит вклад в газообразование:

Разложение SEI-слоя (≈80–120°C): сопровождается выделением легких углеводородов, преимущественно C₂H₄.

Реакция лития анода с электролитом (≈120–250°C): приводит к выделению H₂, CO, CO₂ и ряда углеводородов (CH₄, C₂H₆, C₃H₆ и др.).

Разложение электролита и связующего (≈200–300°C и выше): реакции поливинилиденфторида (PVDF) или карбоксиметилцеллюлозы (CMC) с литием являются основным источником водорода. Разложение соли электролита LiPF₆ приводит к выделению высокотоксичных газов — фтороводорода (HF) и фосфорилфторида (POF₃).

Разложение оксидов катода (выше 200°C): сопровождается выделением кислорода, который может поддерживать горение.

Рис. 2. Обзор процесса теплового разгона и генерации газа в литий-ионной батарее

Состав и количественная характеристика выделяющихся газов

Экспериментальные исследования показывают, что общий объём газа, выделяющегося при тепловом разгоне одного элемента 18650 формата, может достигать 0.27 моль [8]. Состав газовой смеси существенно зависит от химии катода (LFP, NMC, NCA), состава электролита, степени заряда (SOC) и условий инициирования разгона.

Для литий-ионной батареи с катодом NMC (LiNiₓMnᵧCo₂O₂) ёмкостью 20–80 А·ч было зафиксировано выделение шести основных газов, составляющих около 99 % смеси: CO₂ (36.56 %), CO (28.38 %), H₂ (22.27 %), C₂H₄ (5.61 %), CH₄ (5.26 %), C₂H₆ (0.99 %) и C₃H₆ (0.52 %) [9]. Преобладание CO, CO₂ и H₂ (суммарно >85 %) является типичным для большинства типов ЛИА.

Особую опасность представляют фторсодержащие газы (HF, POF₃), образующиеся при термическом разложении LiPF₆. Их концентрации могут достигать сотен промилле, что создаёт серьёзную опасность для здоровья человека и требует применения специальных средств тушения и индивидуальной защиты [10].

Токсикологическая оценка и пожарные риски

Токсичный дым является основной причиной гибели людей при пожарах. Продукты термического разложения ЛИА обладают значительной токсичностью. Критически опасным является угарный газ (CO), образующийся при неполном окислении углеродных материалов. Его пороговая концентрация, представляющая опасность для жизни (LC50), крайне низка.

На основе данных МЧС России и литературных источников можно привести следующие ориентировочные значения опасных концентраций (LC50) продуктов горения, релевантных для ЛИА:

CO₂: 0.11 кг/м³

CO: 1.16·10⁻³ кг/м³

HCl: 23·10⁻⁶ кг/м³

CH₄: 7·10⁻³ кг/м³ (как удушающий газ)

C₂H₄: 1·10⁻⁴ кг/м³

Высокая токсичность фтороводорода (HF) делает его одним из наиболее опасных компонентов. Таким образом, пожарная опасность ЛИА связана не только с термическим воздействием и возможностью взрыва, но и с быстрым образованием токсичной атмосферы, особенно в ограниченных пространствах (жилые комнаты, гараж, салон электромобиля).

Заключение

Проведённый анализ подтверждает, что тепловой разгон литий-ионных аккумуляторов представляет собой комплексную угрозу, сочетающую термическую, взрывную и токсикологическую опасность. Ключевым фактором, усугубляющим последствия аварии, является интенсивное газовыделение, состав которого доминируется CO, CO₂ и H₂, но также включает легковоспламеняющиеся углеводороды и высокотоксичные фторсодержащие соединения.

Полученные данные о количестве и составе газов необходимы для:

Совершенствования методик испытаний на пожарную безопасность, в развитие подходов, рассмотренных в [7].

Разработки эффективных систем раннего обнаружения теплового разгона по газовому составу.

Проектирования вентиляционных и газоподавляющих систем для аккумуляторных отсеков электромобилей и стационарных накопителей энергии.

Создания специализированных огнетушащих составов, способных не только тушить пламя, но и нейтрализовать токсичные газы (в первую очередь HF).

Дальнейшие исследования должны быть направлены на крупномасштабное натурное моделирование газовыделения при тепловом разгоне батарейных модулей и паков, а также на интегральную оценку рисков для людей в типовых сценариях аварий.

Литература:

1. Han, X., Ouyang, M., Lu, L., Li, J., Zheng, Y., Li, Z. A comparative study of commercial lithium ion battery cycle life in electrical vehicle: Aging mechanism identification // J. Power Sources. 2014. Vol. 251. P. 38–54.
2. Wang, Q., Ping, P., Zhao, X., Chu, G., Sun, J., Chen, C. Thermal runaway caused fire and explosion of lithium ion battery // J. Power Sources. 2012. Vol. 208. P. 210–224.
3. Golubkov, A.W., Scheikl, S., Planteu, R., et al. Thermal runaway of commercial 18650 Li-ion batteries with LFP and NCA cathodes—Impact of state of charge and overcharge // RSC Adv. 2015. Vol. 5. P. 57171–57186.
4. Feng, X., Ouyang, M., Liu, X., et al. Thermal runaway mechanism of lithium ion battery for electric vehicles: A review // Energy Storage Materials. 2018. Vol. 10. P. 246–267.
5. Peng, P., Jiang, F. Thermal safety of lithium-ion batteries with various cathode materials: A numerical study // Int. J. Heat Mass Transfer. 2016. Vol. 103. P. 1008–1016.
6. Safety Risks to Emergency Responders from Lithium-Ion Battery Fires in Electric Vehicles // National Transportation Safety Board. Safety Report NTSB/SR-20/01.
7. Golubkov, A.W., Fuchs, D., Wagner, J., et al. Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivine-type cathodes // RSC Adv. 2014. Vol. 4. P. 3633–3642.
8. Koch, S., Fill, A., Birke, K. P. Comprehensive gas analysis on large scale automotive lithium-ion cells in thermal runaway // J. Power Sources. 2018. Vol. 398. P. 106–112.
9. Melnik, A.A., Eliseev, Yu.N., Mokryak, A.V., Ivanov, D. V. Обзор огнетушащих средств при тушении литий-ионных батарей // Проблемы пожарной безопасности. 2022.
10. Тушение возгораний литий-ионных и литий-металлических аккумуляторов. Томас Мэлони США -https://www.researchgate.net/publication/349867987_Extinguishment_of_Lithium-Ion_and_Lithium-Metal_Battery_Fires
11. Мельник А. А., Елисеев Ю. Н., Мокряк А. В., Иванов Д. В. Обзор огнетушащих средств при тушении литий-ионных батарей // Сибирский пожарно-спасательный вестник. 2021. № 2 (21). С. 33–35.
12. Харламенков А. С. Пожарная опасность применения литий-ионных аккумуляторов в России // Пожаровзрывобезопасность. 2022. № 3. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/pozharnaya-opasnost-primeneniya-litiy-ionnyh-akkumulyatorov-v-rossii (дата обращения: 07.10.2025).
13. Емельянов Р. А. Причины возникновения и тушение пожаров на электротранспорте // Пожарная безопасность. 2022. № 4 (109). С. 99–103. https://doi.org/10.37657/vniipo.pb.2022.109.4.011