Dlaczego wybuchają baterie?

Użytkownicy smartfonów i tabletów są oczywiście świadomi zagrożenia wybuchem baterii litowych w swoich gadżetach. I uderzające przykłady nie muszą iść daleko. Ostatnio, na przykład, Samsung osobiście stanął przed bolesnym problemem i był zmuszony przypomnieć sobie pierwszą serię nowej Note 7, ponieważ akumulatory wybuchły w trakcie ładowania. Tak czy inaczej problem pozostaje ten sam od początku pojawienia się telefonów komórkowych; nawet w 2016 r. ICAO zakazała dostaw handlowych w przedziałach ładunkowych transportu cywilnego baterie litowe.

Istota problemu z bateriami litowymi

Faktem jest, że w procesie ładowania baterii litowej w urządzeniu mobilnym za pomocą wbudowanego w baterię mikrokontrolera wdrażany jest dość skomplikowany algorytm realizacji tego procesu, aby temperatura baterii nie wykraczała poza dopuszczalny zakres temperatur. Kontroler monitoruje w tym celu wiele parametrów akumulatora podczas jego ładowania.

Oprócz samego procesu ładowania, przechowywanie akumulatora wymaga również przestrzegania pewnych zasad, szczególnie dotyczących temperatury: nie można przegrzać ani przechłodzić akumulatora.

Głównym problemem powodującym wybuch baterii jest nadmierne nagrzewanie się elektrolitu z powodu przekroczenia dopuszczalnej temperatury lub zwarcia wewnątrz ogniwa akumulatora. Reakcja łańcuchowa jest łatwo inicjowana wewnątrz przegrzanego ogniwa, ponieważ lit metalu alkalicznego ulega bardzo łatwemu zapaleniu, w wyniku czego akumulator pęcznieje, aw najgorszym przypadku wybucha.

I nawet pomimo obecności „uważnego” kontrolera może dojść do przypadkowej wady fabrycznej (niewystarczająca grubość izolatora między komórkami) i prowadzić do smutnych konsekwencji.

Oczywiście szok, awarie, przebicia, przegrzanie na słońcu są niebezpieczne. Nawet jeśli akumulator spadnie i lekko uderzy, wewnątrz może wystąpić awaria izolatora, aw przyszłości może to prowadzić do nagłych problemów, nawet bez oczywistego przegrzania.

Powód wybuchu dla baterii litowych

Anoda i katoda akumulatora litowo-jonowego są oddzielone porowatym separatorem polimerowym. Na katodzie znajduje się materiał aktywny, do którego często stosuje się tlenki metali przejściowych, w których osadzone są jony litu. Anoda jest zwykle grafitowa. Organiczny roztwór soli litu stosuje się jako elektrolit.

Podczas pierwszego ładowania w fabryce lit jest wbudowany w anodę, a na elektrodach tworzy się warstwa rozłożonego elektrolitu, który służy teraz jako ochrona przed niepotrzebnymi reakcjami, pozostając jednocześnie przewodnikiem jonowym.

Jak wspomniano powyżej, zwarcie wewnętrzne jest jedną z głównych przyczyn samozapłonu akumulatora. Przyczyną samego zwarcia mogą być uszkodzenia fizyczne lub wady fabryczne, takie jak nierównomierne przecięcie elektrod lub wnikanie cząstek metalu między katodą i anodą, które naruszają integralność warstwy separatora.

Innym powodem zamknięcia jest wzrost łańcuchów litowo-metalowych przez separator (jeśli jony litu w fabryce nie miały wystarczająco dużo czasu, aby w pełni zintegrować się z kryształem anody z powodu nadmiernie szybkiego ładowania lub przechłodzenia, lub jeśli pojemność materiału aktywnego katody jest większa niż pojemność anody, co prowadzi do złogów na anodzie, która następnie powoli, ale nieubłaganie rośnie.

Tak więc, jeśli wystąpi zwarcie, temperatura akumulatora zacznie rosnąć, a gdy osiągnie 70-90 ° C, rozpoczyna się rozkład ochronnej warstwy przewodzącej jony anody. Anoda litowa reaguje z elektrolitem i uwalniane są łatwopalne węglowodory, takie jak etylen, metan, etan itp.Ale jest zbyt wcześnie przed pożarem, ponieważ nie ma wystarczającej ilości tlenu.

Tymczasem reakcja egzotermiczna jest włączona i temperatura rośnie, wzrasta ciśnienie wewnątrz obudowy akumulatora. W temperaturze 180-200 ° C reakcja dysproporcji rozpoczyna się na katodzie, na której uwalnia się tlen. Zapłon następuje, temperatura gwałtownie wzrasta, a elektrolit rozkłada się termicznie, temperatura wynosi już 200–300 ° C.

Wreszcie jest kolej na grafit, a kiedy temperatura osiąga 660 ° C, aluminium kolektora prądu zaczyna się topić. Maksymalna temperatura w całym tym procesie zwykle nie ma czasu przekraczającego 900 ° C, ponieważ wszystko szybko kończy się całkowitym rozkładem wewnętrznych elementów akumulatora.

Znalezienie rozwiązania jest już sukcesem

Aby rozwiązać problem, producenci smartfonów mogą zaostrzyć regulację, wykonać dodatkowe bezpieczniki w urządzeniach i bateriach, skomplikować kontrolery, ale zwiększy to koszt baterii i wszystkich produktów dostarczanych z baterią. Firmy konkurują ze sobą i po prostu ekonomicznie nie mogą tego zrobić.

Tymczasem fizycy ze Stanford walczą o bezpieczeństwo baterii litowych, którzy latem 2015 roku opracowali specjalny mechanizm ochronny wbudowany w akumulator już na etapie produkcji.

W rzeczywistości mówimy o nowym typie baterii litowych, które automatycznie wyłączają się, gdy ich wnętrze osiągnie potencjalnie niebezpieczną temperaturę (co zapobiega procesowi prowadzącemu do kolejnego pożaru), a po pewnym czasie, po schłodzeniu, włączają się ponownie automatycznie.

Autorzy opracowania twierdzą, że jest to pierwsza bateria litowa, którą można wielokrotnie wyłączać i przywracać bez utraty jej właściwości i wydajności.

Rozwój prowadzony był przez kilka lat przez zespół kilku osób (w tym Zhenana Bao), w wyniku czego akumulator był pozbawiony dwóch głównych wad - gwałtownego spadku pojemności akumulatora po kilku cyklach ładowania oraz, co ważniejsze, tendencji do ognia i eksplozji z powodu przegrzania ( reakcja łańcuchowa zatrzymuje się automatycznie).

Decyzję podjęli naukowcy z zupełnie innej dziedziny fizyki. Wykonali termometry za pomocą nanocząstek niklu osadzonych w cienkim arkuszu grafenu i plastiku. Były to niezwykłe termometry. W spoczynku cząstki niklu stykały się ze sobą, to znaczy uzyskano dobry przewodnik prądowy. Ale gdy arkusz został podgrzany, tworzywo sztuczne zaczęło się nieznacznie rozszerzać, co doprowadziło do osłabienia kontaktu między przewodzącymi cząstkami niklu, a wzrost oporu całego przewodnika.

Ta właściwość została wykorzystana przez naukowców ze Stanford do natychmiastowej automatycznej ochrony baterii litowych oraz do pełnego automatycznego przywrócenia kontaktu po schłodzeniu. Przyklejali arkusz takiego plastiku do jednej z elektrod akumulatora, aby stracił on przewodnictwo wraz ze wzrostem temperatury. A kiedy temperatura osiągnie 70 ° C

Ale pomimo rozwiązania producenci urządzeń mobilnych nadal nie mają odwagi radykalnie zmienić technologii produkcji swoich akumulatorów, która była rozwijana przez lata. Dlatego użytkownicy gadżetów będą musieli przez jakiś czas pogodzić się z potencjalnym zagrożeniem ze strony baterii litowych i starać się nie upuszczać ani nie przegrzewać urządzeń mobilnych, a zwłaszcza baterii. Być może w niedalekiej przyszłości problem zostanie całkowicie rozwiązany.

Zobacz także: Właściwe stosowanie akumulatorów litowo-jonowych