Защо се взривяват батерии

Потребителите на смартфони и таблети, разбира се, са запознати с опасността от експлозия на литиеви батерии в техните устройства. И поразителните примери не трябва да стигат далеч. Наскоро, например, Samsung се сблъска с болезнен проблем лично и беше принуден да изтегли първата серия на новата Note 7, тъй като батериите избухнаха точно в процеса на зареждане. По един или друг начин проблемът остава същият от началото на появата на мобилни телефони, дори през 2016 г. ICAO забрани търговските пратки в товарните отделения на цивилния транспорт литиеви батерии.

Същността на проблема с литиевите батерии

Факт е, че в процеса на зареждане на литиева батерия в мобилно устройство, използвайки микроконтролера, вграден в батерията, се прилага доста сложен алгоритъм за осъществяване на този процес, така че температурата на батерията да не надхвърля допустимия температурен диапазон. Контролерът следи за тази цел много параметри на батерията по време на нейното зареждане.

В допълнение към самия процес на зареждане, съхранението на батерията също изисква спазване на определени правила, особено по отношение на температурата: не можете нито да прегрявате, нито да преохлаждате батерията.

Основният проблем, който кара батериите да избухнат, е прекомерно нагряване на електролита поради превишаване на допустимата температура или поради късо съединение вътре в клетката на акумулатора, Верижната реакция се инициира лесно в прегрятата клетка, тъй като литият на алкален метал се запалва много лесно, в резултат на което батерията набъбва и в най-лошия случай експлодира.

И дори въпреки наличието на "внимателен" контролер, може да възникне случаен фабричен дефект (недостатъчна дебелина на изолатора между клетките) и да доведе до тъжни последици.

Разбира се, шок, сривове, пробиви, прегряване на слънце са опасни. Дори ако батерията е паднала и удари леко, вътре може да се получи счупване на изолатора и в бъдеще това може да доведе до внезапни проблеми, дори без очевидно прегряване.

Причина за експлозия за литиеви батерии

Анодът и катодът на литиево-йонната батерия са разделени от порест полимерен сепаратор. Катодът има активен материал върху него, за който често се използват оксиди на преходните метали, в които са вградени литиеви йони. Анодът обикновено е графит. Като електролит се използва органичен разтвор на литиеви соли.

По време на първото зареждане в инсталацията литият се вгражда в анода и върху електродите се образува слой от разграден електролит, който сега служи като защита срещу ненужни реакции, като същевременно остава йонопроводим.

Както бе отбелязано по-горе, вътрешното късо съединение е една от основните причини за самозапалване на батерията. Причината за самото късо съединение може да бъде физическо увреждане или фабрични дефекти, като неравномерно нарязване на електродите или попадане на метални частици между катода и анода, които нарушават целостта на разделителния слой.

Друга причина за затварянето е растежът на литиеви метални вериги през сепаратора (ако литиевите йони във фабриката не са имали достатъчно време, за да се интегрират напълно в анодния кристал поради прекомерно бързо зареждане или от преохлаждане или ако капацитетът на катодния активен материал е по-голям от капацитета на анода, което води до натрупвания на анода, които след това бавно, но неумолимо растат).

Така че, ако се случи късо съединение, тогава температурата на батерията започва да се повишава, а когато достигне 70-90 ° C, започва разграждането на защитния йонно-проводящ слой на анода. Литиевият анод реагира с електролит, докато се отделят горими въглеводороди като етилен, метан, етан и др.Но е много рано преди пожара, защото няма достатъчно кислород.

Междувременно екзотермичната реакция е включена и температурата се повишава, налягането вътре в корпуса на батерията се повишава. При 180-200 ° С реакцията на непропорционалност започва в катода, където се отделя кислород. Настъпва запалване, температурата рязко се повишава и електролитът се разлага термично, температурата вече е 200-300 ° C.

Накрая идва ред на графита и когато температурата достигне 660 ° C, алуминият на токовия колектор започва да се топи. Максималната температура в целия този процес обикновено няма време да надвишава 900 ° C, тъй като всичко бързо завършва с пълното разлагане на вътрешните компоненти на батерията.

Вече има успех в намирането на решение на проблема

За да разрешат проблема, производителите на смартфони могат да засилят регулирането, да направят допълнителни предпазители в устройства и в батерии, да усложняват контролерите, но това ще доведе до по-високи разходи за батерии и всички продукти, които се предлагат с батерия. Компаниите се конкурират помежду си и просто икономически не могат да го направят.

Междувременно физиците от Станфорд се борят за безопасността на литиевите батерии, които през лятото на 2015 г. разработиха специален защитен механизъм, който е вграден в акумулатора още на етапа на производство.

Всъщност говорим за нов тип литиеви батерии, които автоматично се изключват, когато вътрешността им достигне потенциално опасна температура (което предотвратява процеса, водещ до последващ пожар), и след известно време, след охлаждане, те се включват отново автоматично.

Авторите на разработката твърдят, че това е първата литиева батерия, която може многократно да се изключва и възстановява, без да губи своите свойства и производителност.

Разработката се провежда в продължение на няколко години от екип от няколко души (включително Дженън Бао), в резултат на това една батерия е лишена от два основни недостатъка - рязко намаляване на капацитета на батерията след няколко цикъла на презареждане и по-важното - склонност към пожар и експлозия поради прегряване ( верижната реакция спира автоматично).

Решението стигна до учени от съвсем различна област на физиката. Те направиха термометри, използвайки никелови наночастици, вградени в тънък лист графен и пластмаса. Това бяха необичайни термометри. В покой никеловите частици бяха в контакт помежду си, тоест се получи добър токов проводник. Но когато листът се нагрява, пластмасата започва леко да се разширява, което доведе до отслабване на контакта между проводимите частици на никела и съпротивлението на целия проводник се увеличава.

Това свойство е използвано от изследователи от Станфорд за незабавна автоматична защита на литиеви батерии и за пълно автоматично възстановяване на контакта след охлаждане. Те залепиха лист от такава пластмаса към един от електродите на батерията, така че тя да загуби проводимост с повишаване на температурата. И когато температурата достигне 70 ° C

Но въпреки решението, производителите на мобилни устройства все още не смеят драстично да променят технологията на производство на своите батерии, която е разработена през годините. Следователно потребителите на джаджи ще трябва да се справят с потенциалната опасност от литиеви батерии за известно време и да се опитат да не изпускат или прегряват мобилните си устройства и особено батериите. Може би в близко бъдеще проблемът ще бъде напълно решен.

Вижте също: Правилна употреба на литиево-йонни батерии