Miért robbannak fel az elemek?

Az okostelefonok és a táblagépek felhasználói természetesen tisztában vannak a készülékükben található lítium akkumulátorok robbanásveszélyével. És a feltűnő példáknak nem kell messzire menniük. A közelmúltban például a Samsung fájdalmas problémával szembesült személyesen, és kénytelen volt visszavonni az új 7. megjegyzés első sorozatát, mivel az akkumulátorok a töltés közben felrobbantak. Így vagy úgy, a probléma a mobiltelefonok megjelenésének kezdete óta változatlan marad: az ICAO 2016-ban még a kereskedelmi felek számára is megtiltotta a rakomány polgári teherfuvarokban történő szállítását. lítium elemek.

A lítium elemekkel kapcsolatos probléma lényege

A helyzet az, hogy egy lítium akkumulátor töltésekor egy mobil eszközön, az akkumulátorba épített mikrokontroller segítségével, meglehetősen bonyolult algoritmust valósítanak meg ennek a folyamatnak a végrehajtására, hogy az akkumulátor hőmérséklete ne haladja meg az elfogadható hőmérsékleti tartományt. A vezérlő erre a célra az akkumulátor sok paraméterét figyeli a töltés alatt.

Az akkumulátor tárolása a magán a töltési folyamaton kívül bizonyos szabályok betartását is megköveteli, különösen a hőmérsékletet illetően: az akkumulátort sem melegítheti, sem túlmelegedheti.

Az akkumulátorok robbantását okozó fő probléma az az elektrolit túlmelegedése a megengedett hőmérséklet túllépése vagy az akkumulátorcellán belüli rövidzárlat miatt. A láncreakció könnyen megindul a túlhevített cellában, mivel az alkálifém-lítium nagyon könnyen meggyullad, amelynek eredményeként az akkumulátor megduzzad, és a legrosszabb esetben felrobban.

És még egy „figyelmes” vezérlő jelenléte ellenére is előfordulhat egy véletlen gyári hiba (a szigetelő vastagsága a cellák között), amely szomorú következményekhez vezethet.

Természetesen a sokk, a meghibásodások, a lyukasztások és a túlmelegedés a napon veszélyesek. Még ha az akkumulátor leesett és kissé megüt, a szigetelő belül meghibásodhat, és a jövőben ez hirtelen bajhoz vezethet, még nyilvánvaló túlmelegedés nélkül is.

A lítium akkumulátorok robbanásának oka

A lítium-ion akkumulátor anódját és katódját porózus polimer elválasztóval választják el. A katód aktív anyaggal rendelkezik, amelyre gyakran alkalmaznak átmeneti fémek oxidjait, amelyekbe lítium-ionok vannak beágyazva. Az anód általában grafit. Elektrolitként lítium-sók szerves oldatát használják.

A növény első töltése során a lítium beépül az anódba, és az elektródokon réteg bomlott elektrolit képződik, amely védelemként szolgál a szükségtelen reakciók ellen, miközben megmarad az ionvezető képesség.

Mint fentebb megjegyeztük, az akkumulátor öngyulladásának egyik fő oka a belső rövidzárlat. Maga a rövidzárlat fizikai károkat vagy gyári hibákat okozhat, mint például az elektródák egyenetlen vágása vagy fémrészecskék behatolása a katód és az anód közé, amelyek sértik az elválasztó réteg integritását.

A bezárás másik oka a lítium-fém láncok növekedése az elválasztón keresztül (ha a gyárban a lítium-ionoknak nem volt elegendő idejük ahhoz, hogy teljes mértékben integrálódjanak az anódkristályba a túl gyors töltés vagy a túlhűtés miatt, vagy ha a katód aktív anyag kapacitása nagyobb, mint az anód kapacitása, ami lerakódásokhoz vezet) az anódon, amely lassan, de elkerülhetetlenül növekszik).

Tehát, ha rövidzárlat következett be, akkor az akkumulátor hőmérséklete emelkedni kezd, és amikor eléri a 70-90 ° C-ot, megkezdődik az anód védő ionvezető rétegének bomlása. A lítium-anód elektrolittal reagál, és gyúlékony szénhidrogének, például etilén, metán, etán stb. Szabadulnak fel.De még túl korai a tűz előtt, mert nincs elég oxigén.

Időközben az exoterm reakció be van kapcsolva és a hőmérséklet megemelkedik, az akkumulátor házában lévő nyomás megemelkedik. 180-200 ° C-on az aránytalansági reakció a katódon kezdődik, ahol oxigén szabadul fel. Gyulladás történik, a hőmérséklet hirtelen emelkedik, és az elektrolit termikusan bomlik, a hőmérséklet már 200–300 ° C.

Végül a grafit fordul elő, és amikor a hőmérséklet eléri a 660 ° C-ot, az áramgyűjtő alumíniumja megolvad. Az egész eljárás során a maximális hőmérséklet általában nem haladja meg a 900 ° C-ot, mivel minden gyorsan az akkumulátor belső alkatrészeinek teljes lebomlásával ér véget.

Már sikerrel is megoldást lehet találni a problémára

A probléma megoldása érdekében az okostelefon-gyártók szigoríthatják a szabályozást, további biztosítékokat készíthetnek az eszközökben és az akkumulátorokban, bonyolíthatják a vezérlőket, de ez növeli az akkumulátorok és az akkumulátorral járó összes termék költségeit. A vállalatok versenyeznek egymással, és gazdasági szempontból egyszerűen nem tudják megtenni.

Eközben a Stanford fizikusai harcolnak a lítium akkumulátorok biztonsága érdekében, akik 2015 nyarán kidolgoztak egy speciális védőmechanizmust, amelyet az akkumulátor beépített már a gyártási szakaszban.

Valójában egy új típusú lítium akkumulátorról beszélünk, amelyek automatikusan kikapcsolnak, amikor belső részük potenciálisan veszélyes hőmérsékletet ér el (ez megakadályozza a későbbi tűz kialakulását), és egy idő után, lehűlés után, automatikusan újra bekapcsolnak.

A fejlesztés szerzői azt állítják, hogy ez az első lítium akkumulátor, amely többször is kikapcsolható és helyreállítható anélkül, hogy tulajdonságai és teljesítménye elveszne.

A fejlesztést évek óta több emberből álló csapat végezte (ideértve a Zhenan Bao-t is), ennek eredményeként az akkumulátornak nincsenek két fő hátránya - az akkumulátor kapacitásának éles csökkenése több újratöltési ciklus után, és ami még fontosabb, a tűz és robbanás hajlama a túlmelegedés miatt ( a láncreakció automatikusan leáll).

A döntés egy teljesen más fizikaterület tudósát illeti. Hőmérőket készítettek egy nikkel nanorészecskék felhasználásával, amelyeket egy vékony grafén- és műanyag lapba ágyaztak be. Ezek szokatlan hőmérők voltak. Nyugalomban a nikkel részecskék érintkezésbe kerültek egymással, vagyis jó áramvezetőt kaptunk. Amikor azonban a lapot hevítették, a műanyag kissé elhalványult, ami a vezető nikkel részecskék közötti kapcsolat gyengüléséhez vezetett, és az egész vezető ellenállása megnőtt.

Ezt a tulajdonságot a Stanford kutatói felhasználták a lítium akkumulátorok azonnali automatikus védelmére és az érintkezés automatikus automatikus helyreállítására hűtés után. Ragasztottak egy ilyen műanyag lemezt az akkumulátor egyik elektródájához, hogy az elveszítse vezetőképességét a hőmérséklet növekedésével. És amikor a hőmérséklet eléri a 70 ° C-ot

A megoldás ellenére a mobil eszközök gyártói azonban még mindig nem merik drasztikusan megváltoztatni akkumulátoruk gyártási technológiáját, amelyet az évek során fejlesztettek ki. Ezért a készülékek felhasználóinak egy ideig meg kell birkózniuk a lítium akkumulátorok potenciális veszélyével, és meg kell próbálniuk, hogy ne ejtsék le és ne melegítsék túl mobilkészülékeiket, különösen az akkumulátorokat. Lehet, hogy a közeljövőben a probléma teljesen megoldódik.

Lásd még: A lítium-ion akkumulátorok megfelelő használata