Zašto baterije eksplodiraju

Korisnici pametnih telefona i tableta, naravno, svjesni su opasnosti od eksplozije litijumskih baterija u svojim uređajima. A upečatljivi primjeri ne moraju ići daleko. Nedavno, primjerice, Samsung se osobno suočio s bolnim problemom i bio je prisiljen prisjetiti se prve serije nove Note 7, jer su baterije eksplodirale upravo u procesu punjenja. Na ovaj ili onaj način, problem ostaje isti od početka pojave mobitela, čak je 2016. ICAO zabranio komercijalne pošiljke u teretnim odjeljcima civilnog prometa litijeve baterije.

Suština problema s litijskim baterijama

Činjenica je da se u procesu punjenja litijske baterije u mobilnom uređaju, pomoću mikrokontrolera ugrađenog u bateriju, implementira prilično kompliciran algoritam za provedbu ovog postupka tako da temperatura baterije ne prelazi prihvatljivi temperaturni raspon. U tu svrhu kontroler prati mnoge parametre baterije tijekom punjenja.

Osim samog postupka punjenja, skladištenje baterije također zahtijeva poštivanje određenih pravila, posebno što se tiče temperature: ni baterije ne možete pregrijati ni pregrijati.

Glavni problem zbog kojeg baterije eksplodiraju jest prekomjerno zagrijavanje elektrolita zbog prekoračenja dopuštene temperature ili zbog kratkog spoja unutar baterije, Lančana reakcija lako se pokreće u pregrijanoj ćeliji, jer se litij alkalnog metala vrlo lako zapali, što rezultira time da baterija bubri i, u najgorem slučaju, eksplodira.

Čak i unatoč prisutnosti "pažljivog" regulatora, može doći do slučajnih tvorničkih oštećenja (nedovoljne debljine izolatora između stanica) i dovesti do tužnih posljedica.

Naravno, šok, kvari, proboji, pregrijavanje na suncu su opasni. Čak i ako je baterija pala i malo udarila, može doći do kvara izolatora, a u budućnosti to može dovesti do naglih problema, čak i bez očitog pregrijavanja.

Razlog eksplozije za litijske baterije

Anoda i katoda litij-ionske baterije odvojeni su poroznim polimernim separatorom. Katod ima na sebi aktivni materijal, za koji se često koriste oksidi prijelaznih metala, u koji su ugrađeni litijevi ioni. Anoda je obično grafitna. Kao elektrolit koristi se organska otopina litijevih soli.

Tijekom prvog punjenja u postrojenju, litij se ugrađuje u anodu i na elektrodama se formira sloj razgrađenog elektrolita, koji sada služi kao zaštita od nepotrebnih reakcija, dok ostaje ionsko provođenje.

Kao što je gore spomenuto, unutarnji kratki spoj jedan je od glavnih uzroka samozapaljivanja baterije. Uzrok kratkog spoja mogu biti fizička oštećenja ili tvorničke oštećenja, poput neravnomjernog rezanja elektroda ili prodiranja metalnih čestica između katode i anode, što krši integritet sloja separatora.

Drugi razlog za zatvaranje je rast metalnih lanaca litija kroz separator (ako litijevi ioni u tvornici nisu imali dovoljno vremena da se potpuno integriraju u kristal anode zbog pretjerano brzog punjenja ili pregrijavanja ili ako je kapacitet aktivnog materijala katode veći od kapaciteta anode, što dovodi do taloga na anodi, koji zatim polako, ali neumoljivo rastu).

Dakle, ako je došlo do kratkog spoja, tada temperatura baterije počinje rasti, a kad dosegne 70-90 ° C, započinje razgradnja zaštitnog ionskog sloja anode. Litij-anoda reagira s elektrolitom, a otpuštaju se gorljivi ugljikovodici kao što su etilen, metan, etan itd.Ali prerano je za požar, jer nema dovoljno kisika.

U međuvremenu se uključuje egzotermna reakcija i temperatura raste, tlak unutar kućišta baterije raste. Na 180-200 ° C reakcija disproporcionalnosti započinje na katodi, gdje se oslobađa kisik. Do paljenja dolazi, temperatura se naglo diže, a elektrolit se toplinski raspada, temperatura je već 200-300 ° C.

Konačno je red na grafitu, a kad temperatura dosegne 660 ° C, aluminij kolektora struje počinje se topiti. Maksimalna temperatura u cijelom ovom procesu obično nema vremena prijeći 900 ° C, jer se sve brzo završava potpunim raspadanjem unutarnjih komponenti baterije.

Već postoji uspjeh u pronalaženju rješenja za problem

Da bi riješili problem, proizvođači pametnih telefona mogu pooštriti regulaciju, napraviti dodatne osigurače na uređajima i baterijama, komplicirati kontrolere, ali to će povećati troškove baterija i svih proizvoda koji dolaze s baterijom. Tvrtke se međusobno natječu, a to ekonomski jednostavno ne mogu.

U međuvremenu, fizičari iz Stanforda bore se za sigurnost litijskih baterija, koji su još u ljeto 2015. razvili poseban zaštitni mehanizam koji je ugrađen u bateriju već u fazi proizvodnje.

Zapravo govorimo o novoj vrsti litijevih baterija koje se automatski isključuju kad njihova unutrašnjost postigne potencijalno opasnu temperaturu (što sprečava proces koji vodi do naknadnog požara), a nakon nekog vremena, nakon hlađenja, automatski se ponovo uključuju.

Autori razvoja tvrde da je ovo prva litijeva baterija koja se može opetovano isključiti i obnoviti bez gubitka svojstava i performansi.

Razvoj je nekoliko godina provodio tim od nekoliko ljudi (uključujući Zhenan Bao), što je rezultiralo da su baterije imale dvije glavne nedostatke - nagli pad kapaciteta baterije nakon nekoliko ciklusa punjenja i, što je još važnije, sklonost vatri i eksploziji zbog pregrijavanja ( lančana reakcija automatski se zaustavlja).

Odluka je došla znanstvenicima iz sasvim drugog područja fizike. Izrađivali su termometre pomoću nano čestica nikla ugrađenih u tanki lim od grafena i plastike. To su bili neobični termometri. U mirovanju čestice nikla su bile u međusobnom dodiru, to jest, dobio se dobar strujni vodič. Ali kad se lim zagrijao, plastika se počela lagano širiti, što je dovelo do slabljenja kontakta između provodljivih čestica nikla, a otpor cijelog vodiča se povećao.

Ovo svojstvo istraživači iz Stanforda koristili su za trenutnu automatsku zaštitu litijumskih baterija i za potpuno automatsko vraćanje kontakta nakon hlađenja. Oni su zalijepili list takve plastike na jednu od elektroda baterije kako bi izgubila vodljivost s povećanjem temperature. A kad temperatura dosegne 70 ° C

No unatoč rješenju, proizvođači mobilnih uređaja još uvijek se ne usuđuju drastično promijeniti tehnologiju proizvodnje svojih baterija koja je razvijena tijekom godina. Stoga će se korisnici gadgeta neko vrijeme morati suočiti s potencijalnom opasnošću od litijskih baterija i pokušati ne ispustiti ili pregrijati svoje mobilne uređaje, a posebno baterije. Možda će u skoroj budućnosti problem biti u potpunosti riješen.

Vidi također: Pravilna uporaba litij-ionskih baterija