Kāpēc eksplodē akumulatori

Viedtālruņu un planšetdatoru lietotāji, protams, apzinās litija bateriju sprādzienbīstamību savos sīkrīkos. Un spilgtiem piemēriem nav tālu jāiet. Piemēram, nesen, piemēram, Samsung personīgi saskārās ar sāpīgu problēmu un bija spiests atsaukt pirmās jaunās 7. piezīmes sēriju, jo akumulatori lādēšanas laikā eksplodēja tieši. Tā vai citādi, problēma paliek nemainīga jau kopš mobilo tālruņu parādīšanās sākuma; pat 2016. gadā ICAO aizliedza komerciālus sūtījumus civilā transporta kravas nodalījumos. litija baterijas.

Litija bateriju problēmas būtība

Fakts ir tāds, ka litija akumulatora uzlādes procesā mobilajā ierīcē, izmantojot akumulatorā iebūvētu mikrokontrolleri, tiek ieviests diezgan sarežģīts algoritms šī procesa ieviešanai, lai akumulatora temperatūra nepārsniegtu pieļaujamo temperatūras diapazonu. Šajā nolūkā kontrolieris uzrauga daudzus akumulatora parametrus tā uzlādes laikā.

Papildus akumulatora uzlādes procesam akumulatora glabāšanai ir jāievēro arī daži noteikumi, īpaši attiecībā uz temperatūru: akumulatoru nevar ne pārkarst, ne pārdzesēt.

Galvenā problēma, kas izraisa bateriju eksplodēšanu, ir pārmērīga elektrolīta sasilšana pieļaujamās temperatūras pārsniegšanas vai īssavienojuma dēļ akumulatora elementā. Ķēdes reakcija tiek viegli ierosināta pārkarsētās kameras iekšpusē, jo sārmu metālu litijs ļoti viegli aizdegas, kā rezultātā akumulators uzbriest un sliktākajā gadījumā eksplodē.

Un pat neskatoties uz “uzmanīga” kontroliera klātbūtni, var notikt nejaušs rūpnīcas defekts (nepietiekams izolatora biezums starp elementiem), un tas var izraisīt bēdīgas sekas.

Protams, šoks, sabrukumi, punkcijas, pārkaršana saulē, protams, ir bīstami. Pat ja akumulators ir nokritis un nedaudz skāris, izolators var sabojāties, un nākotnē tas var izraisīt pēkšņas nepatikšanas, pat bez acīmredzamas pārkaršanas.

Litija bateriju eksplozijas iemesls

Litija jonu akumulatora anodu un katodu atdala ar porainu polimēru separatoru. Katodam ir aktīvs materiāls, kuram bieži tiek izmantoti pārejas metālu oksīdi, kuros iestrādāti litija joni. Anoda parasti ir grafīta. Kā elektrolītu izmanto litija sāļu organisko šķīdumu.

Pirmās uzlādes laikā iekārtā litijā tiek iebūvēts anods un uz elektrodiem izveidojas sadalījušos elektrolītu slānis, kas tagad kalpo kā aizsardzība pret nevajadzīgām reakcijām, vienlaikus paliekot jonus vadošam.

Kā minēts iepriekš, iekšējais īssavienojums ir viens no galvenajiem akumulatora pašaizdegšanās cēloņiem. Pats īssavienojuma iemesls var būt fiziski bojājumi vai rūpnīcas defekti, piemēram, nevienmērīga elektrodu sagriešana vai metāla daļiņu iekļūšana starp katodu un anodu, kas pārkāpj atdalītāja slāņa integritāti.

Vēl viens slēgšanas iemesls ir litija metālu ķēžu augšana caur separatoru (ja litija joniem rūpnīcā nebija pārāk daudz laika, lai pārmērīgi ātras uzlādes dēļ vai pārmērīgas atdzišanas dēļ pilnībā integrētos anoda kristālā, vai ja katoda aktīvā materiāla ietilpība ir lielāka par anoda ietilpību, kas noved pie nogulsnēm uz anoda, kas pēc tam lēnām, bet neizbēgami aug).

Tātad, ja notika īssavienojums, tad akumulatora temperatūra sāk paaugstināties, un, sasniedzot 70-90 ° C, sākas anoda aizsargājošo jonu vadošā slāņa sadalīšanās. Litija anods reaģē ar elektrolītu, bet izdalās viegli uzliesmojoši ogļūdeņraži, piemēram, etilēns, metāns, etāns utt.Bet vēl ir par agru pirms ugunsgrēka, jo nepietiek skābekļa.

Tikmēr ir ieslēgta eksotermiskā reakcija un paaugstinās temperatūra, paaugstinās spiediens akumulatora korpusa iekšpusē. 180-200 ° C temperatūrā disproporcijas reakcija sākas pie katoda, kur izdalās skābeklis. Notiek aizdegšanās, temperatūra strauji paaugstinās, un elektrolīts termiski sadalās, temperatūra jau ir 200-300 ° C.

Visbeidzot, tas ir grafīta pagrieziens, un, kad temperatūra sasniedz 660 ° C, strāvas kolektora alumīnijs sāk izkausēt. Maksimālā temperatūra visā šajā procesā parasti nepārsniedz 900 ° C, jo viss ātri beidzas ar pilnīgu akumulatora iekšējo sastāvdaļu sadalīšanos.

Jau ir panākumi problēmas risinājuma atrašanā

Lai atrisinātu problēmu, viedtālruņu ražotāji var pastiprināt regulējumu, veikt papildu drošinātājus ierīcēs un akumulatoros, sarežģīt kontrolierus, taču tas palielinās bateriju un visu produktu, kas nāk ar akumulatoru, izmaksas. Uzņēmumi konkurē savā starpā, un vienkārši ekonomiski to nevar izdarīt.

Tikmēr par litija bateriju drošību cīnās fiziķi no Stenfordas, kuri jau 2015. gada vasarā izstrādāja īpašu aizsargmehānismu, kas jau ražošanas posmā ir iebūvēts akumulatorā.

Faktiski mēs runājam par jauna veida litija baterijām, kuras automātiski izslēdzas, kad to iekšpuse sasniedz potenciāli bīstamu temperatūru (kas novērš procesu, kas izraisa turpmāku ugunsgrēku), un pēc kāda laika pēc atdzesēšanas tie atkal automātiski ieslēdzas.

Izstrādes autori apgalvo, ka šī ir pirmā litija baterija, kuru var atkārtoti izslēgt un atjaunot, nezaudējot savas īpašības un veiktspēju.

Izstrādi vairākus gadus veica vairāku cilvēku komanda (ieskaitot Zhenan Bao), kā rezultātā akumulatoram nebija divu galveno trūkumu - straujam akumulatora jaudas samazinājumam pēc vairākiem uzlādēšanas cikliem un, kas ir vēl svarīgāk, tendence uz ugunsgrēku un eksploziju pārkaršanas dēļ ( ķēdes reakcija automātiski apstājas).

Lēmums nāca zinātniekiem no pilnīgi citas fizikas nozares. Viņi izgatavoja termometrus, izmantojot niķeļa nanodaļiņas, kas iestrādātas plānā grafēna un plastmasas loksnē. Tie bija neparasti termometri. Miega stāvoklī niķeļa daļiņas bija kontaktā viena ar otru, tas ir, tika iegūts labs strāvas vadītājs. Bet, kad loksne tika uzkarsēta, plastmasa sāka nedaudz izplesties, kā rezultātā vājinājās kontakts starp vadošām niķeļa daļiņām, un palielinājās visa vadītāja pretestība.

Šo īpašību Stenfordas pētnieki izmantoja tūlītējai automātiskai litija bateriju aizsardzībai un pilnīgai automātiskai kontakta atjaunošanai pēc atdzesēšanas. Viņi pielīmēja šādas plastmasas loksni pie viena no akumulatora elektrodiem, lai, paaugstinoties temperatūrai, tā zaudētu vadītspēju. Un, kad temperatūra sasniedz 70 ° C

Bet, neskatoties uz risinājumu, mobilo ierīču ražotāji joprojām neuzdrošinās krasi mainīt savu akumulatoru ražošanas tehnoloģiju, kas gadu gaitā ir izstrādāta. Tāpēc sīkrīku lietotājiem kādu laiku nāksies samierināties ar iespējamajām litija bateriju briesmām un mēģināt nepamest un nepārkarst savas mobilās ierīces, īpaši akumulatorus. Iespējams, ka tuvākajā nākotnē problēma tiks pilnībā atrisināta.

Skatīt arī: Pareiza litija jonu akumulatoru lietošana