¿Por qué explotan las baterías?

Los usuarios de teléfonos inteligentes y tabletas son, por supuesto, conscientes del peligro de explosión de las baterías de litio en sus dispositivos. Y ejemplos sorprendentes no tienen que ir muy lejos. Recientemente, por ejemplo, Samsung se enfrentó personalmente a un doloroso problema y se vio obligado a recordar la primera serie del nuevo Note 7, ya que las baterías explotaron justo en el proceso de carga. De una forma u otra, el problema sigue siendo el mismo desde el comienzo de la aparición de los teléfonos celulares; incluso en 2016, la OACI prohibió los envíos comerciales en los compartimentos de carga del transporte civil. baterías de litio.

La esencia del problema con las baterías de litio.

El hecho es que en el proceso de cargar una batería de litio en un dispositivo móvil, utilizando el microcontrolador incorporado en la batería, se implementa un algoritmo bastante complicado para implementar este proceso de modo que la temperatura de la batería no supere el rango de temperatura aceptable. El controlador monitorea para este propósito muchos parámetros de la batería durante su carga.

Además del proceso de carga en sí, el almacenamiento de la batería también requiere el cumplimiento de ciertas reglas, especialmente con respecto a la temperatura: no puede sobrecalentar ni sobreenfriar la batería.

El principal problema que causa que las baterías exploten es calentamiento excesivo del electrolito debido a que excede la temperatura permisible o debido a un cortocircuito dentro de la celda de la batería. La reacción en cadena se inicia fácilmente dentro de la celda sobrecalentada, porque el litio de metal alcalino se enciende muy fácilmente, como resultado de lo cual la batería se hincha y, en el peor de los casos, explota.

E incluso a pesar de la presencia de un controlador "atento", puede producirse un defecto accidental de fábrica (grosor insuficiente del aislante entre las celdas) y provocar consecuencias tristes.

Por supuesto, los golpes, las averías, los pinchazos, el sobrecalentamiento al sol son peligrosos. Incluso si la batería se ha caído y golpeado ligeramente, puede ocurrir una avería del aislante en el interior, y en el futuro esto puede ocasionar problemas repentinos, incluso sin un sobrecalentamiento obvio.

Motivo de explosión de baterías de litio

El ánodo y el cátodo de la batería de iones de litio están separados por un separador de polímero poroso. El cátodo tiene un material activo, para el cual a menudo se utilizan óxidos de metales de transición, en el que se incrustan iones de litio. El ánodo suele ser de grafito. Se utiliza una solución orgánica de sales de litio como electrolito.

Durante la primera carga en la planta, el litio se construye en el ánodo y se forma una capa de electrolito descompuesto en los electrodos, que ahora sirve como protección contra reacciones innecesarias, mientras permanece conductora de iones.

Como se señaló anteriormente, un cortocircuito interno es una de las principales causas de autoencendido de la batería. La causa del cortocircuito en sí puede ser un daño físico o defectos de fábrica, como un corte desigual de los electrodos o la entrada de partículas metálicas entre el cátodo y el ánodo, que violan la integridad de la capa separadora.

Otra razón para el cierre es el crecimiento de cadenas de metal de litio a través del separador (si los iones de litio en la fábrica no tuvieron suficiente tiempo para integrarse completamente en el cristal del ánodo debido a una carga excesivamente rápida o por sobreenfriamiento, o si la capacidad del material activo del cátodo es mayor que la capacidad del ánodo, lo que conduce a depósitos en el ánodo, que luego crece lenta pero inexorablemente).

Por lo tanto, si se produce un cortocircuito, la temperatura de la batería comienza a aumentar y, cuando alcanza los 70-90 ° C, comienza la descomposición de la capa protectora de conducción de iones del ánodo. El ánodo de litio reacciona con un electrolito, mientras que se liberan hidrocarburos combustibles como etileno, metano, etano, etc.Pero es demasiado temprano antes del incendio, porque no hay suficiente oxígeno.

Mientras tanto, la reacción exotérmica está activada y la temperatura aumenta, la presión dentro de la caja de la batería aumenta. A 180-200 ° C, la reacción de desproporción comienza en el cátodo, donde se libera oxígeno. Se produce la ignición, la temperatura aumenta bruscamente y el electrolito se descompone térmicamente, la temperatura ya es de 200-300 ° C.

Finalmente, es el turno del grafito, y cuando la temperatura alcanza los 660 ° C, el aluminio del colector de corriente comienza a derretirse. La temperatura máxima en todo este proceso generalmente no tiene tiempo para superar los 900 ° C, ya que todo termina rápidamente con la descomposición completa de los componentes internos de la batería.

Ya hay éxito en encontrar una solución al problema

Para resolver el problema, los fabricantes de teléfonos inteligentes pueden ajustar la regulación, hacer fusibles adicionales en los dispositivos y en las baterías, complicar los controladores, pero esto conducirá a un mayor costo de las baterías y todos los productos que vienen con una batería. Las empresas compiten entre sí, y simplemente económicamente no pueden hacerlo.

Mientras tanto, los físicos de Stanford luchan por la seguridad de las baterías de litio, quienes en el verano de 2015 desarrollaron un mecanismo de protección especial que ya está integrado en la batería en la etapa de producción.

De hecho, estamos hablando de un nuevo tipo de baterías de litio, que se apagan automáticamente cuando su interior alcanza una temperatura potencialmente peligrosa (que impide que el proceso conduzca a un incendio posterior), y después de un tiempo, después de enfriarse, se vuelven a encender automáticamente.

Los autores del desarrollo afirman que esta es la primera batería de litio que puede apagarse y restaurarse repetidamente sin perder sus propiedades y rendimiento.

El desarrollo se llevó a cabo durante varios años por un equipo de varias personas (incluido Zhenan Bao), como resultado, una batería carecía de dos inconvenientes principales: una fuerte disminución en la capacidad de la batería después de varios ciclos de recarga y, lo que es más importante, una tendencia a incendios y explosiones debido al sobrecalentamiento ( la reacción en cadena se detiene automáticamente).

La decisión llegó a los científicos de un campo completamente diferente de la física. Hicieron termómetros con nanopartículas de níquel incrustadas en una delgada lámina de grafeno y plástico. Estos eran termómetros inusuales. En reposo, las partículas de níquel estaban en contacto entre sí, es decir, se obtuvo un buen conductor de corriente. Pero cuando la lámina se calentó, el plástico comenzó a expandirse un poco, lo que condujo a un debilitamiento del contacto entre las partículas conductoras de níquel, y aumentó la resistencia de todo el conductor.

Esta propiedad fue utilizada por investigadores de Stanford para la protección automática instantánea de baterías de litio y para la restauración automática completa del contacto después del enfriamiento. Pegaron una lámina de dicho plástico a uno de los electrodos de la batería para que perdiera conductividad al aumentar la temperatura. Y cuando la temperatura alcanza los 70 ° C

Pero a pesar de la solución, los fabricantes de dispositivos móviles todavía no se atreven a cambiar drásticamente la tecnología de producción de sus baterías que se ha desarrollado a lo largo de los años. Por lo tanto, los usuarios de dispositivos tendrán que aceptar el peligro potencial de las baterías de litio durante algún tiempo e intentar no dejar caer ni sobrecalentar sus dispositivos móviles, y especialmente las baterías. Quizás en el futuro cercano el problema se resuelva por completo.

Ver también: Uso adecuado de las baterías de iones de litio.