Чому займаються і вибухають літієві акумулятори пристроїв

Наши партнеры ArtmMisto

Користувачі смартфонів і планшетів звичайно знають про проблему вибухонебезпечності літієвих акумуляторів своїх гаджетів. І за яскравими прикладами далеко ходити не доводиться. Нещодавно, наприклад, компанія Самсунг зіткнулася з наболілої проблемою особисто, і була змушена відкликати першу серію нового Note 7, оскільки акумулятори вибухали прямо в процесі зарядки. Так чи інакше, проблема залишається такою з початку появи стільникових телефонів, ІКАО навіть в 2016 році заборонила до перевезення у вантажних відсіках цивільного транспорту комерційні партії літієвих акумуляторів .

Суть проблеми з літієвими акумуляторами

Справа в тому, що в процесі заряду літієвий акумулятор в мобільному пристрої, за допомогою вбудованого в акумулятор мікроконтролера реалізується досить складний алгоритм здійснення цього процесу, щоб температура батареї не виходила б за межі прийнятного температурного діапазону. Контролер відстежує для цієї мети багато параметрів батареї в процесі її зарядки.

Крім безпосередньо процесу зарядки, зберігання акумулятора теж вимагає дотримання деяких правил, особливо щодо температури: не можна ні перегрівати, ні переохолоджувати акумулятор.

Основна проблема, яка веде до вибуху акумуляторів - це надмірний розігрів електроліту через перевищення допустимої температури або внаслідок короткого замикання всередині акумуляторної осередки. Ланцюгова реакція легко ініціюється всередині перегрівся осередки, адже лужної метал літій дуже легко запалюється, внаслідок чого батарея здувається і в гіршому випадку - вибухає.

І навіть незважаючи на наявність «уважного» контролера, випадковий заводський брак (недостатня товщина ізолятора між осередками) може мати місце і привести до сумних наслідків.

Звичайно небезпечні удари, пробої, проколи, перегрів на сонці. Навіть якщо батарея впала і злегка вдарилася, всередині може статися порушення ізолятора, і в подальшому це можливо призведе до раптової неприємності, навіть без явного перегріву.

Причина вибухонебезпечності літієвих акумуляторів

Анод і катод літій-іонного акумулятора розділені сепаратором з пористого полімеру. Катод має на собі активний матеріал, в якості якого найчастіше застосовують оксиди перехідних металів, в які вбудовані іони літію. Анод, як правило, графітний. Органічний розчин солей літію використовується в якості електроліту.

При першій зарядці на заводі, літій вбудовується в анод і на електродах утворюється шар розклалася електроліту, який тепер служить захистом від зайвих реакцій, залишаючись при цьому іон-провідним.

Як зазначалося вище, внутрішнє коротке замикання - одна з основних причин самозаймання акумулятора. Причиною ж самого короткого замикання може стати фізичне пошкодження або заводський брак, типу нерівній нарізки електродів або потрапляння металевих частинок між катодом і анодом, які порушують цілісність шару сепаратора.

Ще одна причина замикання - проростання ланцюжків металевого літію через сепаратор (якщо іони літію ще на заводі не встигли до кінця вбудуватися в кристал анода через надмірно швидкої зарядки або від переохолодження, або якщо ємність активного матеріалу катода більше ємності анода, що призводить до відкладень на аноді, які потім повільно, але невблаганно ростуть).

Так ось, якщо коротке замикання сталося, то температура акумулятора починає підніматися, і при досягненні 70-90 ° C починається розкладання захисного іон-провідного шару анода. Літій анода реагує з електролітом, при цьому виділяються горючі вуглеводні, такі як етилен, метан, етан і т. Д. Але до загоряння ще рано, адже не вистачає кисню.

Тим часом екзотермічна реакція йде і температура зростає, тиск всередині корпусу акумулятора підвищується. При 180-200 ° C починається реакція диспропорціонування на катоді, де і виділяється кисень. Відбувається займання, температура різко підвищується, а електроліт термічно розкладається, температура вже 200-300 ° C.

Нарешті, настає черга графіту, і з досягненням температури в 660 ° C починає плавитися алюміній струмоприймача. Максимальна температура в усьому цьому процесі зазвичай не встигає перевищити 900 ° C, оскільки все швидко закінчується повним розкладанням внутрішніх компонентів акумулятора.

Вже є успіхи в пошуках вирішення проблеми

Для вирішення проблеми виробникам смартфонів можна посилити регулювання, зробити додаткові запобіжники в апаратах і в акумуляторах, ускладнити контролери, проте це призведе до подорожчання акумуляторів і всієї продукції, в комплекті з якою акумулятор продається. Компанії конкурують між собою, і просто економічно не можуть піти на це.

А тим часом за безпеку літієвих акумуляторів борються фізики з Стенфорда, які ще влітку 2015 року розробили спеціальний захисний механізм, вбудований в акумулятор вже на стадії виробництва.

По суті мова йде про новий вид літієвих батарей, які автоматично відключаються при досягненні їх нутрощами потенційно небезпечної температури (що і запобігає процес, що приводить до подальшого загоряння), а через деякий час, після охолодження, автоматично включаються знову.

Автори розробки стверджують, що це перша літієва батарея, яка зможе багаторазово відключатися і відновлюватися без втрати своїх властивостей і робочих характеристик.

Розробка велася кілька років колективом з кількох людей (в числі яких Чженань Бао), в результаті вийшла батарея, позбавлена ​​двох головних недоліків - різкого зниження ємності акумулятора після декількох циклів перезарядження і, що більш важливо, схильності до спалахів і вибухів через перегрів ( ланцюгова реакція автоматично зупиняється).

Рішення прийшло до вчених зовсім з іншої галузі фізики. Вони робили термометри використовуючи наночастинки нікелю, вбудовані в тонкий лист з графена і пластика. Це були незвичайні термометри. У спокої частинки нікелю один з одним стикалися, тобто виходив хороший провідник струму. Але коли лист розігрівався, пластик починав трохи розширюватися, що призводило до ослаблення контакту між провідними нікелевими частинками, і опір всього провідника зростала.

Ось це властивість і застосували дослідники зі Стенфорда для миттєвої автоматичного захисту літієвих батарей і для повного автоматичного відновлення контакту після охолодження. Вони приклеїли лист такого пластика до одного з електродів батареї, щоб він втрачав провідність зі зростанням температури. І коли температура досягає 70 ° C

Але незважаючи на знайдене рішення, виробники мобільних пристроїв все одно не вирішуються різко міняти напрацьовану роками технологію виробництва своїх акумуляторів. Тому користувачам гаджетів доведеться ще на деякий час змиритися з наявністю потенційної небезпеки літієвих батарей, і намагатися не упускати і не перегрівати свої мобільні пристрої, а тим більше акумулятори. Можливо в недалекому майбутньому проблема буде повністю вирішена.

Дивіться також: Правильна експлуатація літій-іонних акумуляторів

Андрій повну