Varför exploderar batterier

Användare av smartphones och surfplattor är naturligtvis medvetna om explosionsrisken för litiumbatterier i deras prylar. Och slående exempel behöver inte gå långt. Nyligen, till exempel, mötte Samsung ett smärtsamt problem personligen och tvingades dra tillbaka den första serien av den nya Note 7, eftersom batterierna exploderade precis vid laddningsprocessen. På ett eller annat sätt förblir problemet detsamma från början av tillkomsten av mobiltelefoner. ICAO förbjöd till och med kommersiella parter att transportera gods i civila lastfack under 2016. litiumbatterier.

Kärnan i problemet med litiumbatterier

Faktum är att i processen att ladda ett litiumbatteri i en mobil enhet, med användning av mikrokontrollern inbyggt i batteriet, implementeras en ganska komplicerad algoritm för att implementera denna process så att batteritemperaturen inte överskrider det acceptabla temperaturområdet. Styrenheten övervakar för detta ändamål många parametrar för batteriet under laddningen.

Förutom själva laddningsprocessen kräver lagring av batteriet också vissa regler, särskilt när det gäller temperatur: du kan varken överhettas eller superkyla batteriet.

Det största problemet att få batterier att explodera är överdriven uppvärmning av elektrolyten på grund av överskridande av den tillåtna temperaturen eller på grund av en kortslutning inuti battericellen. Kedjereaktionen initieras lätt inuti den överhettade cellen, eftersom alkalimetallitiumet mycket lätt antänds, vilket resulterar i att batteriet sväller och i värsta fall exploderar.

Och även om det finns en "uppmärksam" styrenhet kan en oavsiktlig fabriksdefekt (otillräcklig tjocklek på isolatorn mellan cellerna) äga rum och leda till sorgliga konsekvenser.

Självklart är chock, nedbrytningar, punkteringar, överhettning i solen farliga. Även om batteriet har fallit och träffat något kan en nedbrytning av isolatorn inträffa inuti, och i framtiden kan detta leda till plötsliga problem, även utan uppenbar överhettning.

Explosionsskäl för litiumbatterier

Anoden och katoden för litiumjonbatteriet separeras av en porös polymerseparator. Katoden har ett aktivt material på, för vilka oxider av övergångsmetaller ofta används, i vilka litiumjoner är inbäddade. Anoden är vanligtvis grafit. En organisk lösning av litiumsalter används som en elektrolyt.

Under den första laddningen vid anläggningen byggs litium in i anoden och ett lager av sönderdelad elektrolyt bildas på elektroderna, som nu fungerar som skydd mot onödiga reaktioner, medan de kvarstår jonledande.

Som nämnts ovan är en intern kortslutning en av de främsta orsakerna till självantändning av batteriet. Orsaken till själva kortslutningen kan vara fysiska skador eller fabriksdefekter, såsom ojämn skärning av elektroderna eller inträde av metallpartiklar mellan katoden och anoden, vilket bryter mot separatorlagrets integritet.

Ett annat skäl till stängningen är tillväxten av litiummetallkedjor genom separatorn (om litiumjonerna på fabriken inte hade tillräckligt med tid för att helt integreras i anodkristallen på grund av alltför snabb laddning eller från överkylning, eller om kapaciteten för det katodaktiva materialet är större än kapaciteten hos anoden, vilket leder till avsättningar på anoden, som sedan långsamt men orubbligt växer).

Så om en kortslutning inträffade börjar batteritemperaturen att stiga, och när den når 70-90 ° C börjar sönderdelningen av det skyddande jonledande skiktet i anoden. Litiumanoden reagerar med en elektrolyt och brandfarliga kolväten såsom eten, metan, etan, etc. frigörs.Men det är för tidigt före branden, för det finns inte tillräckligt med syre.

Under tiden är den exoterma reaktionen på och temperaturen stiger, trycket inuti batterilådan stiger. Vid 180-200 ° C börjar disproportionsreaktionen vid katoden, där syre frisätts. Tändning sker, temperaturen stiger kraftigt och elektrolyten sönderdelas termiskt, temperaturen är redan 200-300 ° C.

Slutligen är det grafitens tur, och när temperaturen når 660 ° C börjar den nuvarande kollektorns aluminium att smälta. Den maximala temperaturen i hela denna process har vanligtvis inte tid att överstiga 900 ° C, eftersom allt snabbt slutar med fullständig nedbrytning av batteriets inre komponenter.

Redan framgång är det att hitta en lösning på problemet

För att lösa problemet kan smarttelefontillverkarna skärpa regleringen, göra ytterligare säkringar i enheter och i batterier, komplicera styrenheterna, men detta kommer att öka kostnaden för batterier och alla produkter som kommer med ett batteri. Företag tävlar med varandra och kan helt enkelt inte ekonomiskt göra det.

Under tiden kämpar fysiker från Stanford för säkerheten för litiumbatterier, som tillbaka sommaren 2015 utvecklade en speciell skyddsmekanism som är inbyggd i batteriet redan på produktionsstadiet.

Vi talar i själva verket om en ny typ av litiumbatterier, som automatiskt stängs av när deras insida når en potentiellt farlig temperatur (vilket förhindrar processen som leder till efterföljande brand), och efter en stund, efter kylning, tänds de automatiskt igen.

Utvecklingsförfattarna hävdar att detta är det första litiumbatteriet som upprepade gånger kan stängas av och återställas utan att förlora sina egenskaper och prestanda.

Utvecklingen genomfördes under flera år av ett team av flera personer (inklusive Zhenan Bao), vilket resulterade i att ett batteri saknade två huvudsakliga nackdelar - en kraftig minskning av batterikapaciteten efter flera laddningscykler och, ännu viktigare, en tendens till brand och explosion på grund av överhettning ( kedjereaktion stannar automatiskt).

Beslutet kom till forskare från ett helt annat fysikområde. De tillverkade termometrar med hjälp av nickel-nanopartiklar inbäddade i ett tunt ark grafen och plast. Det var ovanliga termometrar. I vila var nickelpartiklarna i kontakt med varandra, det vill säga en god strömledare erhölls. Men när plåten upphettades började plasten expandera lite, vilket ledde till en försvagning av kontakten mellan de ledande nickelpartiklarna, och hela ledarens motstånd ökade.

Den här egenskapen användes av forskare från Stanford för omedelbart automatiskt skydd av litiumbatterier och för full automatisk återställning av kontakt efter kylning. De limmade ett ark av sådan plast på en av batteriets elektroder så att det skulle förlora konduktiviteten med ökande temperatur. Och när temperaturen når 70 ° C

Men trots lösningen vågar tillverkarna av mobila enheter fortfarande inte drastiskt ändra produktionstekniken för sina batterier som har utvecklats under åren. Därför kommer gadgetanvändare att ta itu med den potentiella faran för litiumbatterier under en tid och försöka att inte tappa eller överhettas sina mobila enheter, och särskilt batterier. Kanske i en nära framtid kommer problemet att lösas fullständigt.

Se även: Korrekt användning av litiumjonbatterier