Miksi paristot räjähtävät

Älypuhelimien ja tablet-laitteiden käyttäjät ovat tietysti laitteissaan olevien litiumparistojen räjähdysvaarasta. Ja silmiinpistävien esimerkkien ei tarvitse mennä kauas. Äskettäin esimerkiksi Samsung kohtasi henkilökohtaisesti tuskallisen ongelman ja joutui muistamaan uuden Note 7: n ensimmäisen sarjan, koska akut räjähtivat oikein latauksen aikana. Tavalla tai toisella, ongelma pysyy samana matkapuhelimien ilmestymisen alusta lähtien; jopa vuonna 2016 ICAO kielsi kaupalliset lähetykset siviililiikenteen tavaratiloissa litiumparistot.

Litiumparistojen ongelman ydin

Tosiasia on, että ladattaessa litiumakkua mobiililaitteessa käyttämällä akkuun sisäänrakennettua mikro-ohjainta, toteutetaan melko monimutkainen algoritmi tämän prosessin toteuttamiseksi siten, että akun lämpötila ei ylitä hyväksyttävää lämpötila-aluetta. Ohjain tarkkailee tätä tarkoitusta varten monia akun parametreja latauksen aikana.

Itse latausprosessin lisäksi akun varastointi vaatii myös tiettyjen sääntöjen noudattamista, etenkin lämpötilan suhteen: akkua ei voi ylikuumentaa eikä jäähdyttää.

Suurin ongelma, joka aiheuttaa paristojen räjähtämisen, on elektrolyytin liiallinen kuumeneminen sallitun lämpötilan ylittymisen tai akkukennon sisällä olevan oikosulun vuoksi. Ketjureaktio käynnistyy helposti ylikuumentuneen kennon sisällä, koska alkalimetallilitium syttyy helposti, minkä seurauksena akku turpoaa ja pahimmassa tapauksessa räjähtää.

Ja vaikka "tarkkaavainen" ohjain on läsnä, vahingossa tapahtuva tehdasvirhe (eristimen riittämätön paksuus kennojen välillä) voi tapahtua ja johtaa surullisiin seurauksiin.

Tietysti iskut, rikkoutumiset, puhkaisut, ylikuumeneminen auringossa ovat vaarallisia. Vaikka akku on pudonnut ja osunut hiukan, eristin voi rikkoutua sisällä, ja tulevaisuudessa tämä voi johtaa äkilliseen häiriöön, jopa ilman ilmeistä ylikuumenemista.

Litiumparistojen räjähdyksen syy

Litium-ioni-akun anodi ja katodi on erotettu huokoisella polymeerierottimella. Katodissa on aktiivinen aine, johon käytetään usein siirtymämetallien oksideja, joihin upotettu litiumioneja. Anodi on yleensä grafiitti. Elektrolyyttinä käytetään litiumsuolojen orgaanista liuosta.

Ensimmäisen latauksen aikana laitoksessa litium rakennetaan anodiin ja hajotettujen elektrolyyttikerros muodostuu elektrodeihin, joka toimii nyt suojana tarpeettomilta reaktioilta, samalla kun se pysyy ioneja johtavana.

Kuten yllä todettiin, sisäinen oikosulku on yksi akun itsesyttymisen pääasiallisista syistä. Itse oikosulun syy voi olla fyysinen vaurio tai tehdasvirhe, kuten elektrodien epätasainen leikkaaminen tai metallihiukkasten tunkeutuminen katodin ja anodin väliin, mikä rikkoo erotuskerroksen eheyttä.

Toinen syy sulkemiseen on litiummetalliketjujen kasvu erottimen läpi (jos litiumioneilla tehtaalla ei ollut tarpeeksi aikaa integroitua täysin anodikiteisiin liian nopean lataamisen tai ylikuumenemisen takia tai jos katodiaktiivisen materiaalin kapasiteetti on suurempi kuin anodin kapasiteetti, mikä johtaa talletuksiin anodilla, joka sitten kasvaa hitaasti, mutta vääjäämättä).

Joten, jos tapahtui oikosulku, akun lämpötila alkaa nousta, ja kun se saavuttaa 70-90 ° C, anodin suojaavan ionijohtavan kerroksen hajoaminen alkaa. Litiumanodi reagoi elektrolyytin kanssa, kun taas palavia hiilivetyjä, kuten eteeni, metaani, etaani jne. Vapautuu.Mutta se on liian aikaisin ennen tulta, koska happea ei ole tarpeeksi.

Samaan aikaan eksoterminen reaktio on päällä ja lämpötila nousee, paine akkukotelon sisällä nousee. Lämpötilassa 180-200 ° C disproportioitumisreaktio alkaa katodista, josta happea vapautuu. Sytytys tapahtuu, lämpötila nousee voimakkaasti ja elektrolyytti hajoaa termisesti, lämpötila on jo 200-300 ° C.

Viimeinkin on grafiitin vuoro ja kun lämpötila saavuttaa 660 ° C, virrankeräimen alumiini alkaa sulaa. Koko prosessin maksimilämpötilassa ei yleensä ole aikaa ylittää 900 ° C, koska kaikki loppuu nopeasti akun sisäisten komponenttien täydelliseen hajoamiseen.

Ongelma ratkaisun löytämisessä on jo onnistunut

Ongelman ratkaisemiseksi älypuhelinten valmistajat voivat tiukentaa sääntelyä, tehdä lisävarokkeita laitteissa ja akkuissa, monimutkaista ohjaimia, mutta tämä johtaa paristojen ja kaikkien akun mukana toimitettujen tuotteiden kalliimpaan hintaan. Yritykset kilpailevat keskenään, eivätkä yksinkertaisesti taloudellisesti pysty siihen.

Samaan aikaan Stanfordin fyysikot taistelevat litiumparistojen turvallisuudesta. He kehittivät kesällä 2015 erityisen suojamekanismin, joka on sisäänrakennettu akkuun jo tuotantovaiheessa.

Itse asiassa puhumme uuden tyyppisistä litiumparistoista, jotka sammuvat automaattisesti, kun niiden sisäpinta saavuttaa mahdollisesti vaarallisen lämpötilan (joka estää seuraavaa tulipaloa aiheuttavan prosessin), ja jonkin ajan kuluttua, jäähdytyksen jälkeen, ne käynnistyvät uudelleen automaattisesti.

Kehityksen tekijät väittävät, että tämä on ensimmäinen litiumparisto, joka voi toistuvasti sammua ja palautua menettämättä ominaisuuksiaan ja suorituskykyään.

Kehittämistä toteutti useiden ihmisten ryhmä (mukaan lukien Zhenan Bao) useita vuosia, minkä seurauksena akulla ei ollut kahta päähaittaa - akun kapasiteetin jyrkkä lasku usean latausjakson jälkeen ja mikä tärkeintä, taipumus tulipaloon ja räjähdykseen ylikuumenemisen takia ( ketjureaktio pysähtyy automaattisesti).

Päätös tuli tutkijoille aivan erilaiselta fysiikan alalta. He tekivät lämpömittarit käyttämällä nikkelinanohiukkasia, jotka oli upotettu ohueseen grafeeni- ja muovilevyyn. Nämä olivat epätavallisia lämpömittareita. Levossa nikkelihiukkaset olivat kosketuksissa toisiinsa, ts. Saatiin hyvä virranjohdin. Mutta kun levyä lämmitettiin, muovi alkoi laajentua hiukan, mikä johti johtavien nikkelihiukkasten välisen kontaktin heikkenemiseen, ja koko johtimen vastus kasvoi.

Stanfordin tutkijat käyttivät tätä ominaisuutta litiumparistojen välittömään automaattiseen suojaamiseen ja kontaktien täydelliseen automaattiseen palauttamiseen jäähdytyksen jälkeen. He liimasivat tällaisen muovilevyn yhteen akun elektrodeista siten, että se menettäisi johtavuuden lämpötilan noustessa. Ja kun lämpötila saavuttaa 70 ° C

Ratkaisusta huolimatta matkaviestimien valmistajat eivät kuitenkaan uskalla muuttaa dramaattisesti paristojensa tuotantoteknologiaa, jota on kehitetty vuosien varrella. Siksi laitteiden käyttäjien on jo jonkin aikaa selvitettävä litiumparistojen mahdolliset vaarat ja yritettävä olla pudottamatta tai ylikuumentamasta mobiililaitteitaan ja erityisesti akkuja. Ehkä lähitulevaisuudessa ongelma ratkaistaan ​​kokonaan.

Katso myös: Litium-ioni-paristojen oikea käyttö