ทำไมแบตเตอรี่ระเบิด

แน่นอนว่าผู้ใช้สมาร์ทโฟนและแท็บเล็ตตระหนักถึงอันตรายจากการระเบิดของแบตเตอรี่ลิเธียมในอุปกรณ์ของพวกเขา และตัวอย่างที่โดดเด่นไม่จำเป็นต้องไปไกล ตัวอย่างเช่นเมื่อเร็ว ๆ นี้ซัมซุงประสบปัญหาที่เจ็บปวดด้วยตนเองและถูกบังคับให้ถอนชุดแรกของ Note 7 ใหม่เนื่องจากแบตเตอรี่ระเบิดในกระบวนการชาร์จ ไม่ทางใดก็ทางหนึ่งปัญหายังคงเหมือนเดิมจากการเริ่มต้นของการถือกำเนิดของโทรศัพท์มือถือ ICAO ได้สั่งห้ามพรรคพาณิชย์จากการขนส่งสินค้าในห้องเก็บสินค้าพลเรือนในปี 2559 แบตเตอรี่ลิเธียม.

สาระสำคัญของปัญหากับแบตเตอรี่ลิเธียม

ความจริงก็คือในกระบวนการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมในอุปกรณ์มือถือโดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ในแบตเตอรี่ขั้นตอนวิธีที่ค่อนข้างซับซ้อนสำหรับการใช้กระบวนการนี้ถูกนำมาใช้เพื่อให้อุณหภูมิของแบตเตอรี่ไม่เกินอุณหภูมิที่ยอมรับได้ ตัวควบคุมจะตรวจสอบเพื่อจุดประสงค์นี้หลายพารามิเตอร์ของแบตเตอรี่ในระหว่างการชาร์จ

นอกเหนือจากขั้นตอนการชาร์จแล้วการจัดเก็บแบตเตอรี่ยังต้องปฏิบัติตามกฎบางอย่างโดยเฉพาะอย่างยิ่งอุณหภูมิ: คุณไม่สามารถไม่ร้อนเกินไปหรือทำให้เย็นเกินไปสำหรับแบตเตอรี่

ปัญหาหลักที่ทำให้แบตเตอรี่ระเบิดคือ ความร้อนของอิเล็กโทรไลต์มากเกินไปเนื่องจากเกินอุณหภูมิที่อนุญาตหรือเนื่องจากไฟฟ้าลัดวงจรภายในเซลล์แบตเตอรี่. ปฏิกิริยาลูกโซ่เกิดขึ้นได้ง่ายภายในเซลล์ที่มีความร้อนสูงเกินไปเนื่องจากโลหะอัลคาไลลิเธียมติดไฟได้ง่ายมากเนื่องจากแบตเตอรี่ระเบิดและในกรณีที่เลวร้ายที่สุดก็จะระเบิด

และถึงแม้จะมีตัวควบคุม "เอาใจใส่" แต่โรงงานที่มีข้อบกพร่องโดยไม่ตั้งใจ (ความหนาของฉนวนระหว่างเซลล์ไม่เพียงพอ) สามารถเกิดขึ้นและนำไปสู่ผลลัพธ์ที่น่าเศร้า

แน่นอนว่าช็อตการแตกการเจาะทะลุความร้อนสูงในดวงอาทิตย์เป็นอันตราย แม้ว่าแบตเตอรี่จะตกลงมาและถูกกระแทกเล็กน้อยความผิดปกติของฉนวนอาจเกิดขึ้นภายในและในอนาคตอาจทำให้เกิดปัญหาฉับพลันแม้ว่าจะไม่มีความร้อนสูงเกินไป

เหตุผลการระเบิดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม

ขั้วบวกและขั้วลบของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนจะถูกคั่นด้วยตัวคั่นโพลิเมอร์ที่มีรูพรุน แคโทดมีวัสดุที่ใช้งานอยู่ซึ่งมักใช้ออกไซด์ของโลหะทรานซิชันซึ่งลิเทียมไอออนจะถูกฝังอยู่ ขั้วบวกมักจะเป็นกราไฟท์ สารละลายอินทรีย์ของเกลือลิเธียมถูกใช้เป็นอิเล็กโทรไลต์

ในระหว่างการชาร์จครั้งแรกที่โรงงานลิเธียมจะถูกสร้างขึ้นในขั้วบวกและชั้นของอิเล็กโทรไลต์ที่สลายตัวบนขั้วไฟฟ้าซึ่งตอนนี้ทำหน้าที่ป้องกันการเกิดปฏิกิริยาที่ไม่จำเป็นในขณะที่ยังคงนำไอออนอยู่

ตามที่ระบุไว้ข้างต้นการลัดวงจรภายในเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักของการจุดระเบิดด้วยตนเองของแบตเตอรี่ สาเหตุของการลัดวงจรสามารถเกิดความเสียหายทางกายภาพหรือข้อบกพร่องจากโรงงานเช่นการตัดขั้วไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอหรือการเข้าของอนุภาคโลหะระหว่างขั้วบวกและขั้วบวกซึ่งละเมิดความสมบูรณ์ของชั้นคั่น

เหตุผลอีกประการสำหรับการปิดคือการเติบโตของโซ่โลหะลิเธียมผ่านตัวแยก (ถ้าลิเธียมไอออนที่โรงงานไม่มีเวลาเพียงพอที่จะรวมเข้ากับขั้วบวกคริสตัลเนื่องจากการชาร์จเร็วเกินไปหรือจากการระบายความร้อนมากเกินไปหรือถ้าความจุของวัสดุแคโทด บนขั้วบวกซึ่งช้าแล้ว แต่เติบโตอย่างไม่ลดละ)

ดังนั้นหากเกิดไฟฟ้าลัดวงจรอุณหภูมิของแบตเตอรี่ก็จะสูงขึ้นและเมื่อถึงอุณหภูมิ 70-90 ° C การสลายตัวของชั้นป้องกันการนำไอออนของขั้วบวกจะเริ่มขึ้น ลิเธียมแอโนดทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์และไฮโดรคาร์บอนที่ติดไฟได้เช่นเอทิลีนมีเธนอีเธนและอื่น ๆแต่เร็วเกินไปก่อนเกิดไฟเนื่องจากมีออกซิเจนไม่เพียงพอ

ในขณะเดียวกันปฏิกิริยาคายความร้อนจะเปิดขึ้นและอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นความดันภายในกล่องแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้น ที่ 180-200 ° C ปฏิกิริยา disproportionation เริ่มต้นที่แคโทดที่ปล่อยออกซิเจน การติดไฟเกิดขึ้นอุณหภูมิสูงขึ้นอย่างรวดเร็วและอิเล็กโทรไลต์สลายตัวทางความร้อนอุณหภูมิอยู่แล้ว 200-300 ° C

ในที่สุดมันก็ถึงจุดเปลี่ยนของกราไฟต์และเมื่ออุณหภูมิสูงถึง 660 ° C อลูมิเนียมของตัวสะสมกระแสไฟก็เริ่มละลาย อุณหภูมิสูงสุดในกระบวนการทั้งหมดนี้มักจะไม่มีเวลาเกิน 900 ° C เนื่องจากทุกอย่างจบลงอย่างรวดเร็วด้วยการสลายตัวที่สมบูรณ์ของส่วนประกอบภายในของแบตเตอรี่

มีความสำเร็จในการค้นหาวิธีการแก้ไขปัญหา

เพื่อแก้ปัญหานี้ผู้ผลิตสมาร์ทโฟนสามารถควบคุมกฎระเบียบเพิ่มฟิวส์ในอุปกรณ์และแบตเตอรี่ตัวควบคุมที่ซับซ้อน แต่จะเพิ่มค่าใช้จ่ายของแบตเตอรี่และผลิตภัณฑ์ทั้งหมดที่มาพร้อมกับแบตเตอรี่ บริษัท ต่าง ๆ แข่งขันกันและเศรษฐกิจไม่สามารถทำได้

ในขณะเดียวกันนักฟิสิกส์จาก Stanford กำลังต่อสู้เพื่อความปลอดภัยของแบตเตอรี่ลิเธียมที่กลับมาในช่วงฤดูร้อนปี 2558 ได้พัฒนากลไกการป้องกันพิเศษที่สร้างขึ้นในแบตเตอรี่แล้วในขั้นตอนการผลิต

ในความเป็นจริงเรากำลังพูดถึงแบตเตอรี่ลิเธียมชนิดใหม่ซึ่งจะปิดโดยอัตโนมัติเมื่ออุณหภูมิภายในถึงอันตราย (ซึ่งป้องกันไม่ให้กระบวนการนำไปสู่การเกิดเพลิงไหม้ครั้งต่อไป) และหลังจากผ่านไปครู่หนึ่งหลังจากทำความเย็น

ผู้เขียนอ้างว่าเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมตัวแรกที่สามารถปิดและเรียกคืนซ้ำได้โดยไม่สูญเสียคุณสมบัติและประสิทธิภาพ

การพัฒนาดำเนินไปเป็นเวลาหลายปีโดยทีมงานของคนหลายคน (รวมถึง Zhenan Bao) ผลก็คือแบตเตอรี่ไม่มีข้อบกพร่องหลักสองประการ - การลดลงอย่างรวดเร็วของความจุของแบตเตอรี่หลังจากชาร์จแบตเตอรี่หลายรอบและที่สำคัญกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่หยุดโดยอัตโนมัติ)

การตัดสินใจมาถึงนักวิทยาศาสตร์จากสาขาฟิสิกส์ที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง พวกเขาสร้างเครื่องวัดอุณหภูมิโดยใช้อนุภาคนาโนนิกเกิลที่ฝังอยู่ในแผ่นบางของกราฟีนและพลาสติก นี่เป็นเทอร์โมมิเตอร์ที่ผิดปกติ ที่เหลืออนุภาคนิกเกิลสัมผัสกันซึ่งก็คือตัวนำกระแสไฟฟ้าที่ดีได้รับ แต่เมื่อแผ่นความร้อนเพิ่มขึ้นพลาสติกก็เริ่มขยายตัวเล็กน้อยซึ่งนำไปสู่การอ่อนตัวของการสัมผัสระหว่างอนุภาคนิกเกิลที่นำไฟฟ้าและความต้านทานของตัวนำทั้งหมดเพิ่มขึ้น

นักวิจัยจาก Stanford ใช้คุณสมบัตินี้เพื่อการปกป้องแบตเตอรี่ลิเธียมอัตโนมัติได้ทันทีและเพื่อการติดต่อโดยอัตโนมัติหลังจากการระบายความร้อน พวกเขาจับแผ่นพลาสติกดังกล่าวเข้ากับขั้วไฟฟ้าของแบตเตอรี่หนึ่งก้อนเพื่อให้สูญเสียการนำไฟฟ้าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น และเมื่ออุณหภูมิสูงถึง 70 ° C

แต่ผู้ผลิตอุปกรณ์มือถือยังคงไม่กล้าเปลี่ยนเทคโนโลยีการผลิตของแบตเตอรี่ที่ได้รับการพัฒนาอย่างมากในช่วงหลายปีที่ผ่านมา ดังนั้นผู้ใช้แกดเจ็ตจะต้องเผชิญกับอันตรายที่อาจเกิดขึ้นจากแบตเตอรี่ลิเธียมในระยะเวลาหนึ่งและพยายามที่จะไม่วางหรือทำให้ร้อนเกินไปสำหรับอุปกรณ์พกพาโดยเฉพาะอย่างยิ่งแบตเตอรี่ บางทีในอนาคตอันใกล้ปัญหาจะได้รับการแก้ไขอย่างสมบูรณ์

ดูเพิ่มเติมที่: การใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างเหมาะสม