Γιατί οι μπαταρίες εκρήγνυνται

Οι χρήστες smartphone και tablet γνωρίζουν βεβαίως τον κίνδυνο έκρηξης των μπαταριών λιθίου στα gadget τους. Και τα εντυπωσιακά παραδείγματα δεν πρέπει να φτάσουν μακριά. Πρόσφατα, για παράδειγμα, η Samsung αντιμετώπισε ένα οδυνηρό πρόβλημα προσωπικά και αναγκάστηκε να αποσύρει την πρώτη σειρά της νέας σημείωσης 7, καθώς οι μπαταρίες εξερράγησαν σωστά στη διαδικασία χρέωσης. Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, το πρόβλημα παραμένει το ίδιο από την αρχή της εμφάνισης των κινητών τηλεφώνων · ακόμη και το 2016, ο ICAO απαγόρευσε τις εμπορικές αποστολές στα τμήματα φορτίου των πολιτικών μεταφορών μπαταρίες λιθίου.

Η ουσία του προβλήματος με τις μπαταρίες λιθίου

Το γεγονός είναι ότι κατά τη διαδικασία φόρτισης μιας μπαταρίας λιθίου σε μια κινητή συσκευή, χρησιμοποιώντας τον μικροελεγκτή που είναι ενσωματωμένος στη μπαταρία, εφαρμόζεται ένας πολύ περίπλοκος αλγόριθμος για την εφαρμογή αυτής της διαδικασίας, έτσι ώστε η θερμοκρασία της μπαταρίας να μην υπερβαίνει την αποδεκτή περιοχή θερμοκρασιών. Ο ελεγκτής παρακολουθεί για το σκοπό αυτό πολλές παραμέτρους της μπαταρίας κατά τη διάρκεια της φόρτισης.

Εκτός από την ίδια τη διαδικασία φόρτισης, η αποθήκευση της μπαταρίας απαιτεί επίσης συμμόρφωση με ορισμένους κανόνες, ειδικά όσον αφορά τη θερμοκρασία: δεν μπορείτε να υπερθερμαίνετε ούτε να υπερψύχετε την μπαταρία.

Το κύριο πρόβλημα που προκαλεί τις μπαταρίες να εκραγούν είναι υπερβολική θέρμανση του ηλεκτρολύτη λόγω υπέρβασης της επιτρεπόμενης θερμοκρασίας ή λόγω βραχυκυκλώματος στο εσωτερικό της κυψέλης μπαταρίας. Η αλυσιδωτή αντίδραση ξεκινά εύκολα μέσα στο υπερθέρμαντο κύτταρο, επειδή το αλκαλικό μέταλλο λιθίου αναφλέγεται πολύ εύκολα, με αποτέλεσμα να διογκώνεται η μπαταρία και, στη χειρότερη περίπτωση, να εκραγεί.

Και ακόμη και παρά την ύπαρξη ενός "προσεκτικού" ελεγκτή, μπορεί να συμβεί τυχαίο ελάττωμα στο εργοστάσιο (ανεπαρκές πάχος του μονωτήρα μεταξύ των κυψελών) και να οδηγήσει σε θλιβερές συνέπειες.

Φυσικά, οι σοκ, οι βλάβες, οι τρύπες, η υπερθέρμανση στον ήλιο είναι επικίνδυνες. Ακόμη και αν η μπαταρία έχει πέσει και χτυπήσει ελαφρά, μπορεί να παρουσιαστεί στο εσωτερικό της μια βλάβη του μονωτήρα και στο μέλλον αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ξαφνικό πρόβλημα, ακόμη και χωρίς προφανή υπερθέρμανση.

Λόγος έκρηξης για μπαταρίες λιθίου

Η άνοδος και η κάθοδος της μπαταρίας ιόντων λιθίου διαχωρίζονται από έναν πορώδη διαχωριστή πολυμερούς. Η κάθοδος έχει ένα ενεργό υλικό σε αυτό, για το οποίο χρησιμοποιούνται συχνά οξείδια μεταβατικών μετάλλων, στα οποία είναι ενσωματωμένα ιόντα λιθίου. Η άνοδος είναι συνήθως γραφίτης. Ένα οργανικό διάλυμα αλάτων λιθίου χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης.

Κατά τη διάρκεια της πρώτης φόρτισης στο εργοστάσιο, το λίθιο είναι ενσωματωμένο στην άνοδο και ένα στρώμα αποσυντιθέμενων ηλεκτρολυτών σχηματίζεται επί των ηλεκτροδίων, το οποίο τώρα χρησιμεύει ως προστασία έναντι περιττών αντιδράσεων, ενώ παραμένει ιόντα.

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, ένα εσωτερικό βραχυκύκλωμα είναι μία από τις κύριες αιτίες της αυτοαναφλέξεως της μπαταρίας. Η αιτία του ίδιου του βραχυκυκλώματος μπορεί να είναι φυσική βλάβη ή εργοστασιακά ελαττώματα, όπως η ανομοιογενής κοπή των ηλεκτροδίων ή η είσοδος σωματιδίων μετάλλου μεταξύ της καθόδου και της ανόδου, που παραβιάζουν την ακεραιότητα του διαχωριστικού στρώματος.

Ένας άλλος λόγος κλεισίματος είναι η ανάπτυξη μεταλλικών αλυσίδων λιθίου μέσω του διαχωριστή (εάν τα ιόντα λιθίου στο εργοστάσιο δεν είχαν αρκετό χρόνο για να ενσωματωθούν πλήρως στον κρύσταλλο ανόδου λόγω υπερβολικά γρήγορης φόρτισης ή υπερψύξης ή αν η χωρητικότητα του καθόδου ενεργού υλικού είναι μεγαλύτερη από την χωρητικότητα της ανόδου, στην άνοδο, που στη συνέχεια αναπτύσσονται αργά αλλά αναπόφευκτα).

Συνεπώς, αν συμβεί βραχυκύκλωμα, τότε η θερμοκρασία της μπαταρίας αρχίζει να αυξάνεται και όταν φτάσει στους 70-90 ° C αρχίζει η αποσύνθεση του προστατευτικού ιόντος αγώγιμου στρώματος της ανόδου. Η άνοδος του λιθίου αντιδρά με ηλεκτρολύτη, ενώ απελευθερώνονται καύσιμοι υδρογονάνθρακες όπως αιθυλένιο, μεθάνιο, αιθάνιο κλπ.Αλλά είναι πολύ νωρίς πριν από τη φωτιά, επειδή δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο.

Εν τω μεταξύ, η εξώθερμη αντίδραση είναι ενεργοποιημένη και η θερμοκρασία αυξάνεται, η πίεση μέσα στην θήκη της μπαταρίας ανεβαίνει. Στους 180-200 ° C, η αντίδραση δυσαναλογοποίησης αρχίζει στην κάθοδο, όπου απελευθερώνεται οξυγόνο. Η ανάφλεξη γίνεται, η θερμοκρασία αυξάνεται έντονα και ο ηλεκτρολύτης αποσυντίθεται θερμικώς, η θερμοκρασία είναι ήδη 200-300 ° C.

Τέλος, είναι η στροφή του γραφίτη και όταν η θερμοκρασία φτάσει τους 660 ° C, αρχίζει να λιώνει το αλουμίνιο του συλλέκτη ρεύματος. Η μέγιστη θερμοκρασία σε αυτή τη συνολική διαδικασία συνήθως δεν έχει χρόνο να υπερβεί τους 900 ° C, αφού όλα τελειώνουν γρήγορα με την πλήρη αποσύνθεση των εσωτερικών εξαρτημάτων της μπαταρίας.

Ήδη υπάρχει επιτυχία στην εξεύρεση λύσης στο πρόβλημα

Για την επίλυση του προβλήματος, οι κατασκευαστές smartphone μπορούν να σφίξουν τη ρύθμιση, να κάνουν πρόσθετες ασφάλειες στις συσκευές και στις μπαταρίες, να περιπλέξουν τους ελεγκτές, αλλά αυτό θα οδηγήσει σε υψηλότερο κόστος μπαταριών και όλων των προϊόντων που συνοδεύονται από μπαταρία. Οι εταιρείες ανταγωνίζονται μεταξύ τους και απλώς δεν μπορούν οικονομικά να το κάνουν.

Εν τω μεταξύ, φυσικοί από το Στάνφορντ αγωνίζονται για την ασφάλεια των μπαταριών λιθίου, οι οποίοι επέστρεψαν το καλοκαίρι του 2015 ανέπτυξαν ένα ειδικό προστατευτικό μηχανισμό που ενσωματώνεται στην μπαταρία ήδη στο στάδιο της παραγωγής.

Στην πραγματικότητα, μιλάμε για έναν καινούργιο τύπο μπαταριών λιθίου, οι οποίοι αυτομάτως σβήνουν όταν το εσωτερικό τους φθάνει σε μια ενδεχομένως επικίνδυνη θερμοκρασία (η οποία εμποδίζει τη διαδικασία που οδηγεί σε επακόλουθη πυρκαγιά), και μετά από λίγο, μετά την ψύξη, ανάβουν ξανά αυτόματα.

Οι συντάκτες της ανάπτυξης υποστηρίζουν ότι αυτή είναι η πρώτη μπαταρία λιθίου που μπορεί να απενεργοποιείται και να επαναλαμβάνεται επανειλημμένα χωρίς να χάνει τις ιδιότητες και τις επιδόσεις της.

Η ανάπτυξη πραγματοποιήθηκε εδώ και πολλά χρόνια από μια ομάδα διαφόρων ανθρώπων (συμπεριλαμβανομένης της Zhenan Bao), με αποτέλεσμα μια μπαταρία να μην έχει δύο βασικά μειονεκτήματα - απότομη μείωση της χωρητικότητας της μπαταρίας μετά από αρκετούς κύκλους επαναφόρτισης και, κυρίως, τάση πυρκαγιάς και έκρηξης λόγω υπερθέρμανσης η αλυσιδωτή αντίδραση σταματάει αυτόματα).

Η απόφαση ήρθε σε επιστήμονες από ένα εντελώς διαφορετικό πεδίο φυσικής. Έκαναν θερμόμετρα χρησιμοποιώντας νανοσωματίδια νικελίου ενσωματωμένα σε ένα λεπτό φύλλο γραφένιου και πλαστικού. Αυτά ήταν ασυνήθιστα θερμόμετρα. Σε ηρεμία, τα σωματίδια νικελίου έρχονταν σε επαφή μεταξύ τους, δηλαδή αποκτήθηκε ένας καλός αγωγός ρεύματος. Αλλά όταν το φύλλο θερμάνθηκε, το πλαστικό άρχισε να διαστέλλεται ελαφρά, πράγμα που οδήγησε σε εξασθένιση της επαφής μεταξύ των αγώγιμων σωματιδίων νικελίου και η αντίσταση ολόκληρου του αγωγού αυξήθηκε.

Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιήθηκε από ερευνητές από το Stanford για άμεση αυτόματη προστασία των μπαταριών λιθίου και για πλήρη αυτόματη αποκατάσταση της επαφής μετά την ψύξη. Συγκράτησαν ένα φύλλο τέτοιου πλαστικού σε ένα από τα ηλεκτρόδια της μπαταρίας έτσι ώστε να χάσει την αγωγιμότητα με την αύξηση της θερμοκρασίας. Και όταν η θερμοκρασία φτάσει τους 70 ° C

Αλλά παρά τη λύση, οι κατασκευαστές κινητών συσκευών εξακολουθούν να μην τολμούν να αλλάξουν δραστικά την τεχνολογία παραγωγής των μπαταριών τους που έχει αναπτυχθεί με τα χρόνια. Ως εκ τούτου, οι χρήστες gadget θα πρέπει να συμμορφωθούν με τον ενδεχόμενο κίνδυνο των μπαταριών λιθίου για κάποιο χρονικό διάστημα και να προσπαθήσουν να μην ρίξουν ή να υπερθερμάνουν τις κινητές τους συσκευές και ειδικά τις μπαταρίες. Ίσως στο εγγύς μέλλον το πρόβλημα θα επιλυθεί εντελώς.

Δείτε επίσης: Η σωστή χρήση των μπαταριών ιόντων λιθίου