Prečo batérie vybuchujú?

Používatelia smartfónov a tabletov sú si samozrejme vedomí nebezpečenstva výbuchu lítiových batérií vo svojich prístrojoch. A nápadné príklady nemusia ísť ďaleko. Nedávno napríklad spoločnosť Samsung čelila bolestivému problému osobne a bola nútená pripomenúť si prvú sériu novej poznámky 7, pretože batérie v procese nabíjania vybuchli. Tak či onak, problém zostáva rovnaký od začiatku objavenia sa mobilných telefónov, dokonca v roku 2016 ICAO zakázala komerčné zásielky v nákladných priestoroch civilnej dopravy. lítiové batérie.

Podstata problému s lítiovými batériami

Faktom je, že v procese nabíjania lítiovej batérie v mobilnom zariadení pomocou mikrokontroléra zabudovaného do batérie je implementovaný pomerne komplikovaný algoritmus na implementáciu tohto procesu, takže teplota batérie nepresahuje prijateľný teplotný rozsah. Regulátor na tento účel monitoruje počas nabíjania mnoho parametrov batérie.

Okrem samotného procesu nabíjania si skladovanie batérie vyžaduje dodržiavanie určitých pravidiel, najmä pokiaľ ide o teplotu: batériu nemôžete prehriať ani prechladnúť.

Hlavným problémom spôsobujúcim explóziu batérií je nadmerné zahrievanie elektrolytu v dôsledku prekročenia prípustnej teploty alebo v dôsledku skratu vo vnútri článku batérie, Reťazová reakcia sa ľahko iniciuje vo vnútri prehriateho článku, pretože lítium alkalického kovu sa veľmi ľahko vznieti, v dôsledku čoho batéria nabobtná av najhoršom prípade exploduje.

A to aj napriek prítomnosti „pozorného“ kontrolóra, môže dôjsť k náhodnej výrobnej chybe (nedostatočná hrúbka izolátora medzi bunkami) a viesť k smutným následkom.

Šok, poruchy, punkcie, prehriatie na slnku sú samozrejme nebezpečné. Aj keď batéria klesla a mierne zasiahla, môže dôjsť k poškodeniu izolátora vo vnútri. V budúcnosti to môže viesť k náhlym problémom, a to aj bez zjavného prehriatia.

Dôvod výbuchu pre lítiové batérie

Anóda a katóda lítium-iónovej batérie sú oddelené poréznym polymérnym separátorom. Katóda obsahuje aktívny materiál, pre ktorý sa často používajú oxidy prechodných kovov, v ktorých sú zabudované ióny lítia. Anóda je obvykle grafitová. Ako elektrolyt sa používa organický roztok solí lítia.

Počas prvého nabíjania v zariadení je do anódy zabudované lítium a na elektródach sa vytvára vrstva rozloženého elektrolytu, ktorá teraz slúži ako ochrana proti zbytočným reakciám, pričom zostáva vodivá.

Ako je uvedené vyššie, interný skrat je jednou z hlavných príčin samovznietenia batérie. Príčinou skratu samotného môže byť fyzické poškodenie alebo výrobné závady, ako napríklad nerovnomerné rezanie elektród alebo vniknutie kovových častíc medzi katódu a anódu, ktoré narúšajú integritu separačnej vrstvy.

Ďalším dôvodom uzavretia je rast kovových reťazcov lítia cez separátor (ak ióny lítia v továrni nemali dostatok času na úplnú integráciu do anódového kryštálu v dôsledku príliš rýchleho nabíjania alebo nadmerného chladenia, alebo ak kapacita katódového aktívneho materiálu je väčšia ako kapacita anódy, čo vedie k usadeninám). na anóde, ktorá potom pomaly, ale neúprosne rastie).

Ak teda dôjde ku skratu, teplota batérie začne stúpať a keď dosiahne 70 až 90 ° C, začne sa rozklad anódovej ochrannej vrstvy, ktorá vedie ióny. Lítiová anóda reaguje s elektrolytom, zatiaľ čo sa uvoľňujú horľavé uhľovodíky, ako je etylén, metán, etán atď.Ale je príliš skoro pred ohňom, pretože nie je dostatok kyslíka.

Medzitým je exotermická reakcia zapnutá a teplota stúpa, tlak vo vnútri puzdra na batériu stúpa. Pri 180 - 200 ° C sa disproporcionačná reakcia začína na katóde, kde sa uvoľňuje kyslík. Vyskytuje sa vznietenie, teplota prudko stúpa a elektrolyt sa tepelne rozkladá, teplota je už 200 - 300 ° C.

Nakoniec je to na rade grafit a keď teplota dosiahne 660 ° C, hliník súčasného kolektora sa začne topiť. Maximálna teplota v tomto celom procese zvyčajne nemá čas na prekročenie 900 ° C, pretože všetko sa rýchlo končí úplným rozkladom vnútorných komponentov batérie.

Už existuje úspech pri hľadaní riešenia problému

Výrobcovia smartfónov môžu na vyriešenie problému sprísniť reguláciu, vytvoriť ďalšie poistky v zariadeniach a batériách, komplikovať ovládače, ale zvýšia to náklady na batérie a všetky výrobky dodávané s batériou. Spoločnosti si navzájom konkurujú a jednoducho to z ekonomického hľadiska nemôžu urobiť.

Medzitým fyzici zo Stanfordu bojujú o bezpečnosť lítiových batérií, ktorí už v lete 2015 vyvinuli špeciálny ochranný mechanizmus, ktorý je zabudovaný do batérie už vo výrobnej fáze.

V skutočnosti hovoríme o novom type lítiových batérií, ktoré sa automaticky vypnú, keď ich vnútro dosiahne potenciálne nebezpečnú teplotu (ktorá zabraňuje procesu vedúcemu k následnému požiaru), a po chvíli sa po ochladení automaticky znova zapnú.

Autori vývoja tvrdia, že ide o prvú lítiovú batériu, ktorá sa môže opakovane vypínať a obnovovať bez straty svojich vlastností a výkonu.

Vývoj uskutočňoval niekoľko rokov tím niekoľkých ľudí (vrátane Zhenan Bao), výsledkom čoho bola skutočnosť, že batéria nemala dve hlavné nevýhody - prudké zníženie kapacity batérie po niekoľkých cykloch nabíjania a čo je dôležitejšie, tendencia k ohňu a výbuchu v dôsledku prehriatia ( reťazová reakcia sa automaticky zastaví).

Rozhodnutie prišlo k vedcom z úplne inej oblasti fyziky. Teplomery vyrábali pomocou nanočastíc niklu uložených v tenkej vrstve grafénu a plastu. Boli to nezvyčajné teplomery. V pokoji boli častice niklu navzájom v kontakte, to znamená, že sa získal dobrý vodič prúdu. Keď sa však plech zahrial, plast sa začal trochu rozširovať, čo viedlo k oslabeniu kontaktu medzi vodivými časticami niklu a odpor celého vodiča sa zvýšil.

Túto vlastnosť používali vedci zo Stanfordu na okamžitú automatickú ochranu lítiových batérií a na úplné automatické obnovenie kontaktu po ochladení. K jednej z elektród batérie prilepili vrstvu takého plastu, aby pri zvyšujúcej sa teplote stratila vodivosť. A keď teplota dosiahne 70 ° C

Výrobcovia mobilných zariadení sa napriek tomuto riešeniu napriek tomu neodvážia drasticky zmeniť technológiu výroby svojich batérií, ktorá sa vyvinula v priebehu rokov. Používatelia modulov gadget sa preto budú musieť nejaký čas vyrovnať s potenciálnym nebezpečenstvom lítiových batérií a pokúsiť sa svoje mobilné zariadenia, najmä batérie, prehriať alebo neprehriať. Možno v blízkej budúcnosti bude problém úplne vyriešený.

Pozri tiež: Správne používanie lítium-iónových batérií

Comments

[#1 Ruslan]

"nadmerné zahrievanie elektrolytu v dôsledku prekročenia prípustnej teploty" - tuftalogichny tuftalogika tuftalogii.