Proč baterie vybuchují?

Uživatelé chytrých telefonů a tabletů si jsou samozřejmě vědomi nebezpečí výbuchu lithiových baterií ve svých zařízeních. A nápadné příklady nemusí jít daleko. Nedávno například společnost Samsung čelila bolestivému problému osobně a byla nucena stáhnout první řadu nové poznámky 7, protože baterie v procesu nabíjení explodovaly. Tak či onak, problém zůstává stejný od začátku příchodu mobilních telefonů: ICAO dokonce zakázala komerčním stranám přepravovat náklad v civilních nákladových prostorech v roce 2016. lithiové baterie.

Podstata problému s lithiovými bateriemi

Skutečností je, že při procesu nabíjení lithiové baterie v mobilním zařízení pomocí mikrokontroléru zabudovaného do baterie je implementován poměrně komplikovaný algoritmus pro provádění tohoto procesu, takže teplota baterie nepřekračuje přijatelný teplotní rozsah. Řídicí jednotka sleduje za tímto účelem mnoho parametrů baterie během jejího nabíjení.

Kromě samotného procesu nabíjení vyžaduje skladování baterie také dodržování určitých pravidel, zejména pokud jde o teplotu: baterii nelze přehřívat ani podchlazovat.

Hlavní problém způsobující explozi baterií je nadměrné zahřívání elektrolytu v důsledku překročení přípustné teploty nebo v důsledku zkratu uvnitř článku baterie. Řetězová reakce je snadno zahájena uvnitř přehřátého článku, protože lithium alkalického kovu je velmi snadno zapáleno, v důsledku čehož baterie nabobtná a v nejhorším případě exploduje.

A to i přes přítomnost „pozorného“ ovladače, může dojít k náhodné tovární vadě (nedostatečná tloušťka izolátoru mezi buňkami) a vést k smutným důsledkům.

Šok, poruchy, vpichy, přehřátí na slunci jsou samozřejmě nebezpečné. I když baterie klesla a mírně zasáhla, může dojít k poškození izolátoru uvnitř a v budoucnu to může vést k náhlým problémům, a to i bez zjevného přehřátí.

Důvod výbuchu lithiových baterií

Anoda a katoda lithium-iontové baterie jsou odděleny porézním polymerním separátorem. Katoda obsahuje aktivní materiál, pro který se často používají oxidy přechodných kovů, ve kterých jsou zapuštěny ionty lithia. Anoda je obvykle grafitová. Jako elektrolyt se používá organický roztok solí lithia.

Během prvního nabíjení v elektrárně je lithium zabudováno do anody a na elektrodách se tvoří vrstva rozloženého elektrolytu, která nyní slouží jako ochrana před zbytečnými reakcemi, přičemž zůstává iontově vodivá.

Jak je uvedeno výše, vnitřní zkrat je jednou z hlavních příčin samovznícení baterie. Příčinou samotného zkratu může být fyzické poškození nebo výrobní závady, jako je nerovnoměrné řezání elektrod nebo vniknutí kovových částic mezi katodu a anodu, které narušují integritu separační vrstvy.

Dalším důvodem uzavření je růst kovových lithiových řetězců přes separátor (pokud lithiové ionty v továrně neměly dostatek času na to, aby se plně integrovaly do anodového krystalu kvůli příliš rychlému nabíjení nebo z podchlazení, nebo pokud kapacita katodového aktivního materiálu je větší než kapacita anody, což vede k usazeninám na anodě, která pak pomalu, ale neúprosně roste).

Pokud tedy dojde ke zkratu, začne teplota baterie stoupat a jakmile dosáhne 70-90 ° C, začne se rozkládat ochranná anodově vodivá vrstva anody. Lithiová anoda reaguje s elektrolytem a uvolňují se hořlavé uhlovodíky, jako je ethylen, metan, ethan atd.Ale je příliš brzy před ohněm, protože není dostatek kyslíku.

Mezitím je exotermická reakce zapnutá a teplota stoupá, tlak uvnitř pouzdra na baterie stoupá. Při 180 - 200 ° C začíná disproporcionační reakce na katodě, kde je uvolňován kyslík. K zapálení dochází, teplota prudce stoupá a elektrolyt se tepelně rozkládá, teplota je již 200 - 300 ° C.

Konečně je to na řadě grafit a když teplota dosáhne 660 ° C, hliník aktuálního kolektoru se začne tavit. Maximální teplota v tomto celém procesu obvykle nemá čas překročit 900 ° C, protože vše rychle končí úplným rozkladem vnitřních součástí baterie.

Již existuje úspěch při hledání řešení problému

K vyřešení problému mohou výrobci smartphonů zpřísnit regulaci, vytvořit další pojistky v zařízeních a bateriích, komplikovat ovladače, ale zvýší to náklady na baterie a všechny produkty dodávané s baterií. Společnosti si navzájem konkurují a jednoduše to ekonomicky nemohou udělat.

Mezitím fyzici ze Stanfordu bojují o bezpečnost lithiových baterií, kteří již v létě 2015 vyvinuli speciální ochranný mechanismus, který je zabudován do baterie již ve fázi výroby.

Ve skutečnosti mluvíme o novém typu lithiových baterií, které se automaticky vypnou, jakmile jejich vnitřní teplota dosáhne potenciálně nebezpečné teploty (což zabrání procesu vedoucímu k následnému požáru), a po chvíli se po ochlazení automaticky znovu zapnou.

Autoři vývoje tvrdí, že se jedná o první lithiovou baterii, která se může opakovaně vypínat a obnovovat, aniž by ztratila své vlastnosti a výkon.

Vývoj byl prováděn několik let týmem několika lidí (včetně Zhenan Bao), což vedlo k tomu, že baterie postrádala dvě hlavní nevýhody - prudký pokles kapacity baterie po několika dobíjecích cyklech a co je důležitější, tendence k ohni a explozi v důsledku přehřátí ( řetězová reakce se automaticky zastaví).

Rozhodnutí přišlo k vědcům z úplně jiné oblasti fyziky. Vytvářeli teploměry s použitím nanočástic niklu uložených v tenké vrstvě grafenu a plastu. Byly to neobvyklé teploměry. V klidu byly částice niklu ve vzájemném kontaktu, to znamená, že byl získán dobrý proudový vodič. Když se však fólie zahřála, plast se začal trochu rozšiřovat, což vedlo k oslabení kontaktu mezi vodivými částicemi niklu a odpor celého vodiče se zvýšil.

Tuto vlastnost použili vědci ze Stanfordu k okamžité automatické ochraně lithiových baterií ak úplnému automatickému obnovení kontaktu po ochlazení. K jedné z elektrod baterie přilepili vrstvu takového plastu, aby při zvýšené teplotě ztratila vodivost. A když teplota dosáhne 70 ° C

Ale i přes řešení se výrobci mobilních zařízení stále neodvažují drasticky změnit výrobní technologii svých baterií, která se v průběhu let vyvíjí. Uživatelé gadgetů se proto budou muset nějakou dobu vypořádat s potenciálním nebezpečím lithiových baterií a pokusit se svá mobilní zařízení, zejména baterie, přehřát nebo přehřát. Možná v blízké budoucnosti bude problém úplně vyřešen.

Viz také: Správné používání lithium-iontových baterií