Jak psują się akumulatory: Iinformacje na temat rodzajów uszkodzeń akumulatora

Akumulatory stały się podstawowymi elementami naszej infrastruktury; zapewniają nieprzerwane zasilanie centrów danych i ułatwiają wdrażanie energii odnawialnej w naszych sieciach elektroenergetycznych. Teraz, gdy polegamy na akumulatorach bardziej niż kiedykolwiek wcześniej, rozumienie charakteru ich awarii staje sięnie jest nie tylko domeną teoretyków, ale także podstawoą wą wiedzą dla każdego, kto jest odpowiedzialny za systemy akumulatorowe.

Awarie akumulatorów mająniosąze sobą poważne skutki finansowe. W przypadku awarii systemu akumulatorowego organizacje ponoszą nie tylko bezpośrednie koszty wymiany, ale także koszty pośrednie związane z przestojami w pracy systemu, potencjalnymi uszkodzeniami podłączonego sprzętu oraz, w niektórych przypadkach, przerwą w świadczeniu krytycznych usług. Jedna godzina przestoju w centrum danych może kosztować nawet 1 mln USD.

Mając to na uwadze, przyjrzyjmy się głównym rodzajom awarii akumulatorów.

Rodzaje uszkodzeń akumulatorów kwasowo-ołowiowych

Akumulatory kwasowo-ołowiowe są jednym z najczęstszych typów akumulatorów stacjonarnych. Mimo że są niezawodne i dobrze je znamy, mogą ulec kilku różnym rodzajom awarii .na kilka sposobów. 

Korozja siatki dodatniej

Korozja siatki dodatniej to proces chemiczny, w którym stop ołowiu tworzący siatkę dodatnią akumulatora stopniowo przekształca się w tlenek ołowiu. Proces ten przyspieszają wysokie temperatury, przeładowanie ioraz nadmierna liczba cykli ładowania i rozładowywania. Chociaż pewien stopień korozji siatki jest normalny i przewidziany w konstrukcji akumulatora, nadmierna korozja może znacznie skrócić czas pracy akumulatora, prowadząc do:

• fizycznego rozszerzenia płyt,
• zwiększenia rezystancji wewnętrznej,
• ograniczenia mocy,
• awarii akumulatora.

Zasiarczenie

Podczas normalnego rozładowywania akumulatora materiały aktywne obecne w akumulatorze kwasowo-ołowiowym (ołów i dwutlenek ołowiu) reagują z kwasem siarkowym, tworząc siarczan ołowiu. Jest to proces naturalny i konieczny. Istnieje jednak zasadnicza różnica między miękkim, normalnym siarczanem ołowiu powstałym podczas standardowego rozładowywania a problematycznym siarczanem krystalicznym, który może się rozwijać w pewnych warunkach. Zasiarczeniu można w dużej mierze zapobiec i zwykle proces ten jest odwracalny, jednak jeśli akumulatory pozostają w stanie rozładowanym w przypadku niewystarczającego ładowania lub zaniedbywania regularnej konserwacji, efekt może być trwały, Prowadzi to do:

• ograniczenia pojemności, 
• zwiększenia rezystancji wewnętrznej,
• fizycznego uszkodzenia płyt.

Zwarcia wewnętrzne

Zwarcia wewnętrzne często rozwijają się stopniowo i mogą być trudne do wykrycia, aż do wystąpienia znaczących uszkodzeń. W przeciwieństwie do zwarć zewnętrznych, które są zwykle oczywiste, zwarcia wewnętrzne następują w akumulatorze w sposób bezobjawowy dyskretny, potencjalnie stwarzając warunki potencjalnie niebezpieczne warunki.

Zwarcia wewnętrzne w akumulatorach kwasowo-ołowiowych dzielą się na dwie kategorie: zwarcia twarde i zwarcia miękkie. Zwarcia twarde są zwykle spowodowane grudkami kleju wynikającymi z wad produkcyjnych. Zwarcia miękkie są wynikiem zbyt głębokich rozładowań, w przypadku których gęstość względna staje się tak niska, że ołów zaczyna się rozpuszczać w elektrolicie. Ołów ten zostaje uwięziony w separatorach, powodując zwarcie. Zarówno zwarcia twarde, jak i miękkie prowadzą do:

• natychmiastowej utraty pojemności,
• wytwarzania zbyt dużego ciepła,
• potencjalnej niestabilności termicznej,
• ryzyka pożaru w poważnych przypadkach,
• uwalniania niebezpiecznych gazów.

Wysychanie (dotyczy VRLA)

Akumulatory kwasowo-ołowiowe regulowane zaworami (VRLA) zostały zaprojektowane tak, aby nie wymagały konserwacji, ale wiąże się z nimi wyjątkowe wyzwanie: wysychanie. W przeciwieństwie do akumulatorów zalanych, gdy VRLA traci swój elektrolit, nie ma możliwości jego uzupełnienia. Powoduje to wysychanie — jeden z najbardziej podstępnych rodzajów uszkodzenia.

Akumulatory VRLA mogą utracić elektrolit w wyniku przegrzania, przeładowania, nieodpowiedniej wentylacji lub nieprawidłowego napięcia ładowania. Utrata elektrolitu prowadzi do:

• zwiększonej impedancji wewnętrznej,
• ograniczenia pojemności,
• wyższej temperatury roboczej,
• obniżenia sprawności,
• utraty styku płyta-elektrolit,
• przyspieszonego starzenia,
• potencjalnej niestabilności termicznej,
• skrócenia czasu podtrzymania zasilania,
• zawodnej wydajności,
• zwiększenia kosztów eksploatacji,
• przedwczesnej awarii.

Niestabilność termiczna (dotyczy VRLA)

Niestabilność termiczna to poważny i niebezpieczny rodzaj uszkodzenia, który może wystąpić w przypadku akumulatora każdego typu. Jeśli chodzi o akumulatory kwasowo-ołowiowe, problem ten występuje częściej w modelach VRLA niż w VLA. W przeciwieństwie do innych rodzajów uszkodzeń, które rozwijają się stopniowo, niestabilność termiczna może bardzo szybko się nasilić, skutkując katastrofalną awarią w przeciągu kilku godzin. Niestabilność termiczna to samowzmacniający się proces, w którym powstaje niebezpieczna spirala sprzężenia ciepła i prądu — akumulator nagrzewa się i przekazuje dodatkowy prąd, wytwarzając tym samym więcej ciepła, w wyniku czego konieczne jest podanie jeszcze większej ilości prądu. Cykl ten trwa aż do nieuchronnej awarii.

Wczesne wykrywanie ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania katastrofalnym awariom. Należy uwzględnić następujące kryteria:

• wysoka temperatura,
• obniżona rezystancja, 
• zwiększone natężenie prądu, 
• wytwarzanie gazu przekraczające szybkość rekombinacji,
• wzrost ciśnienia, wymuszone odpowietrzanie,
• ubytek elektrolitu. 

Rodzaje uszkodzeń akumulatorów litowo-jonowych

Akumulatory litowo-jonowe odmieniły sposób magazynowania energii, jednak wiąże się z nimi szereg unikatowych rodzajów uszkodzenia.

Nagromadzenie warstwy SEI

Warstwa SEI (ang. Solid Electrolyte Interphase) ma zasadnicze znaczenie dla działania akumulatora litowo-jonowego, jednak w miarę eksploatacji jej grubość zwiększa się w tempie, na który wpływa wiele czynników. Rozrastanie się warstwy SEI ma bezpośredni wpływ na impedancję akumulatora, prowadząc do:

• postępującego wzrostu impedancji,
• zwiększenia spadku napięcia pod obciążeniem,
• zmniejszenia maksymalnej obciążalności prądowej,
• intensywniejszego nagrzewania podczas pracy.

Powłoka litowa

Powłoka litowa jest jednym z najpoważniejszych rodzajów uszkodzeń akumulatorów litowo-jonowych i może skutkować katastrofalnymi awariami. W przeciwieństwie do mechanizmów stopniowej degradacji powłoka litowa może stwarzać bezpośrednie zagrożenia dla bezpieczeństwa. Aby temu zapobiec, wymagane jest ostrożne działanie. Gdy akumulator działa normalnie, podczas ładowania jony litu przenikają do grafitowej struktury anody. Jednak w pewnych warunkach jony gromadzą się na powierzchni anody, tworząc osady metalicznego litu. Po jakimś czasie rozrastają się dendryty, a struktura staje się niestabilna.

Powłoka litowa wiążę się z poważnymi problemami związanymi z bezpieczeństwem prowadzącymi do:

• zwarć wewnętrznych,
• możliwej niestabilności termicznej,
• możliwego rozerwania ogniwa,
• spadku wydajności,
• zwiększenia rezystancji wewnętrznej,
• przyspieszonego starzenia,
• utraty równowagi ogniw,
• potencjalnego zagrożenia pożarowego.

Nierównomierne starzenie

Wiele procesów starzenia się akumulatora zwykle uważa się za jednolite na przestrzeni całego ogniwa, ale rzeczywistość jest często bardziej złożona. Nierównomierne starzenie występuje, gdy różni się tempo zużycia poszczególnych części ogniwa, co skutkuje obszarowymi słabościami, które mogą znacząco wpłynąć na wydajność i bezpieczeństwo. Może to prowadzić do:

• ograniczenia całkowitej pojemności,
• zwiększenia rezystancji wewnętrznej,
• nierównomiernego rozdziału prądu,
• zmiennego zakresu napięcia.

Usterki układu BMS

System zarządzania akumulatorem (BMS) to krytyczna funkcja inteligentna, która gwarantuje bezpieczne i wydajne działanie akumulatorów litowo-jonowych. Awaria układu BMS może ograniczyć zarówno wydajność akumulatora, jak i jego bezpieczeństwo, dlatego kluczowe jest zrozumienie charakteru tych usterek. Usterki układu BMS mogą przejawiać się na różne sposoby. Są to np. problemy ze sprzętem, oprogramowaniem lub kalibracją.

Usterki te mogą mieć poważne konsekwencje dla bezpieczeństwa prowadzące do:

• ryzyka przeładowania,
• możliwego nadmiernego rozładowania,
• awarii sterowania temperaturą,
• błędów ograniczania natężenia prądu,
• braku ostrzeżeń krytycznych,
• opóźnionej odpowiedzi na wyłączenie,
• niepowodzenia odłączenia awaryjnego,
• nieodpowiedniego zarządzania temperaturą,
• utraty równowagi ogniw,
• niestabilności termicznej, 
• nadmiernego obciążenia ogniw,
• przyspieszonego starzenia,

Problemy z szeregami akumulatorów

Omówiliśmy już awarie poszczególnych akumulatorów. Szeregi akumulatorów są natomiast podatne na inny istotny rodzaj uszkodzenia: pogorszenie połączeń międzyogniwowych, jeśli nie są one prawidłowo konserwowane. Degradacja ta może być spowodowana wieloma czynnikami, w tym korozją, wibracjami i powtarzającymi się zmianami temperatury. Wraz z pogarszaniem się stanu połączeń wzrasta ich rezystancja. Może to umknąć uwadze, gdy przez szereg przechodzi tylko niewielki prąd upływu, ale kiedy wymagane jest podanie prądu o wyższym natężeniu, zwiększona rezystancja połączeń może prowadzić do nadmiernego nagrzewania, co w niektórych przypadkach stwarza zagrożenie pożarowe. 

Połączenia międzyogniwowe są często najsłabszymi elementami szeregów akumulatorów, a ich awaria może mieć poważne konsekwencje w postaci:

• wysokiej rezystancji,
• zwiększonego ciepła,
• ograniczenia pojemności,
• braku równowagi napięcia.

Testowanie i zapobieganie: najlepsza ochrona przed awarią akumulatora

Zrozumienie rodzajów uszkodzeń ma kluczowe znaczenie, ale jeszcze ważniejsze jest zapobieganie awariami poprzez odpowiednie procesy testowania i konserwacji. Prawidłowa konserwacja i regularne testowanie przy użyciu odpowiedniego sprzętu to nie tylko dobre praktyki — czynności te są niezbędne do:

• zapewnienia niezawodności systemu,
• zabezpieczenia inwestycji,
• zachowania bezpieczeństwa,
• spełnienia zobowiązań,
• optymalizacji wydajności.

Metody testowania i konserwacji omówimy bardziej szczegółowo w przyszłej publikacji.

Wnioski

Omówione przykłady wskazują, że akumulatory mogą ulec awarii na wiele sposobów — od stopniowej degradacji siatek dodatnich w akumulatorach kwasowo-ołowiowych po potencjalnie niebezpieczne powłoki litowe w układach litowo-jonowych. Zrozumienie tych rodzajów uszkodzeń nie sprowadza się do wiedzy teoretycznej — chodzi o ochronę infrastruktury krytycznej, zapewnienie ciągłości działania i utrzymanie bezpieczeństwa.

Niektóre rodzaje uszkodzeń, takie jak zasiarczenie lub nagromadzenie warstwy SEI, rozwijają się powoli i równomiernie, stopniowo obniżając wydajność akumulatora. Inne, takie jak niestabilność termiczna czy zwarcia wewnętrzne, mogą być szybkimi i drastycznymi zdarzeniami. Jednak wszystkie charakteryzuje jedna kluczowa cecha: przed dojściem do katastrofalnej awarii można rozpoznać ich sygnały ostrzegawcze.

Dlatego tak ważne są regularne testy i czynności konserwacyjne. Koszt wdrożenia odpowiednich programów testowania i konserwacji jest minimalny w porównaniu z potencjalnymi konsekwencjami awarii akumulatora. Skutki mogą obejmować zarówno kosztowne wymiany i przestoje w pracy systemu, jak i poważne zagrożenia dla bezpieczeństwa.

W następnej publikacji przyjrzymy się sposobom wykrywania sygnałów ostrzegawczych poprzez odpowiednie procesy testowania i konserwacji. Wiedza na temat awarii akumulatorów to tylko pierwszy krok — jeszcze ważniejsze jest poznanie metod zapobiegania awariaommi.