Kodėl sprogo akumuliatoriai

Išmaniųjų telefonų ir planšetinių kompiuterių vartotojai, be abejo, žino apie ličio baterijų sprogimo pavojų jų programėlėse. Ir ryškūs pavyzdžiai neturi toli eiti. Pavyzdžiui, neseniai „Samsung“ asmeniškai susidūrė su skaudžia problema ir buvo priversta priminti pirmąją naujojo „Note 7“ seriją, nes įkrovimo metu akumuliatoriai sprogo tiesiai. Vienaip ar kitaip, problema išlieka ta pati nuo pat mobiliųjų telefonų atsiradimo pradžios; net 2016 m. ICAO uždraudė komercines siuntas civilinio transporto krovinių skyriuose. ličio baterijos.

Ličio baterijų problemos esmė

Faktas yra tas, kad kraunant ličio bateriją mobiliajame įrenginyje, naudojant į akumuliatorių įmontuotą mikrovaldiklį, įgyvendinamas gana sudėtingas šio proceso įgyvendinimo algoritmas, kad akumuliatoriaus temperatūra neviršytų leistinos temperatūros ribos. Šiuo tikslu valdiklis stebi daugelį akumuliatoriaus parametrų, kai kraunama.

Be paties įkrovimo proceso, akumuliatorių reikia laikyti ir laikantis tam tikrų taisyklių, ypač susijusių su temperatūra: akumuliatoriaus negalima nei perkaisti, nei atvėsinti.

Pagrindinė baterijų sprogimo problema yra per didelis elektrolito įkaitimas dėl leistinos temperatūros viršijimo arba dėl trumpojo jungimo akumuliatoriaus elemento viduje. Grandininė reakcija lengvai inicijuojama perkaitintoje kameroje, nes šarminis metalas ličio labai lengvai užsidega, dėl to akumuliatorius išsipučia ir blogiausiu atveju sprogsta.

Ir net nepaisant „dėmesingo“ valdiklio, gali įvykti atsitiktinis gamyklos defektas (nepakankamas izoliatoriaus storis tarp elementų) ir sukelti liūdnas pasekmes.

Žinoma, šokas, gedimai, pradūrimai, perkaitimas saulėje yra pavojingi. Net jei akumuliatorius nukrito ir šiek tiek nukentėjo, viduje gali įvykti izoliatoriaus gedimas, ir ateityje tai gali sukelti staigią bėdą, net ir be akivaizdaus perkaitimo.

Ličio baterijų sprogimo priežastis

Ličio jonų akumuliatoriaus anodas ir katodas yra atskirti porėtu polimerų separatoriumi. Katodas turi aktyviąją medžiagą, kuriai dažnai naudojami pereinamųjų metalų oksidai, į kuriuos įterpiami ličio jonai. Anodas paprastai yra grafitas. Organinis ličio druskų tirpalas naudojamas kaip elektrolitas.

Per pirmąjį įkrovimą gamykloje į anodą įmontuota ličio ir ant elektrodų susidaro suskaidyto elektrolito sluoksnis, kuris dabar tarnauja kaip apsauga nuo nereikalingų reakcijų, išliekant jonus laidžiam.

Kaip minėta aukščiau, vidinis trumpasis jungimas yra viena iš pagrindinių baterijų savaiminio užsidegimo priežasčių. Pati trumpojo jungimo priežastis gali būti fiziniai pažeidimai arba gamykliniai defektai, tokie kaip netolygus elektrodų pjaustymas arba metalo dalelių patekimas tarp katodo ir anodo, pažeidžiantis separatoriaus sluoksnio vientisumą.

Kita uždarymo priežastis yra ličio metalo grandinių augimas per separatorių (jei ličio jonai gamykloje neturėjo pakankamai laiko visiškai integruotis į anodo kristalą dėl per greito įkrovimo ar dėl per didelio aušinimo, arba jei katodo aktyviosios medžiagos talpa yra didesnė nei anodo talpa, dėl kurios susidaro nuosėdos. ant anodo, kuris vėliau lėtai, bet nepakenčiamai auga).

Taigi, jei įvyko trumpasis jungimas, tada akumuliatoriaus temperatūra pradeda kilti, o kai ji pasiekia 70-90 ° C, prasideda apsauginis anodo apsauginis jonus laidus sluoksnis. Ličio anodas reaguoja su elektrolitu, o išsiskiria degūs angliavandeniliai, tokie kaip etilenas, metanas, etanas ir kt.Tačiau dar per anksti prieš gaisrą, nes nėra pakankamai deguonies.

Tuo tarpu egzoterminė reakcija yra įjungta ir temperatūra pakyla, slėgis akumuliatoriaus korpuso viduje pakyla. Esant 180-200 ° C temperatūrai, disproporcijos reakcija prasideda prie katodo, kur išsiskiria deguonis. Užsidega, temperatūra smarkiai pakyla, o elektrolitas termiškai skyla, temperatūra jau yra 200–300 ° C.

Galiausiai yra grafito eilė ir, kai temperatūra pasiekia 660 ° C, dabartinio kolektoriaus aliuminis pradeda tirpti. Maksimali temperatūra visame šiame procese paprastai neturi laiko viršyti 900 ° C, nes viskas greitai baigiasi visišku vidinių akumuliatoriaus komponentų suirimu.

Jau dabar pavyksta rasti problemos sprendimą

Norėdami išspręsti problemą, išmaniųjų telefonų gamintojai gali sugriežtinti reguliavimą, padaryti papildomus saugiklius įrenginiuose ir akumuliatoriuose, apsunkinti valdiklius, tačiau tai padidins baterijų ir visų produktų, kurie yra su baterija, kainą. Įmonės konkuruoja tarpusavyje ir tiesiog ekonomiškai to negali padaryti.

Tuo tarpu už ličio baterijų saugumą kovoja Stanfordo fizikai, kurie dar 2015 m. Vasarą sukūrė specialų apsauginį mechanizmą, įmontuotą į bateriją jau gamybos etape.

Tiesą sakant, mes kalbame apie naujo tipo ličio baterijas, kurios automatiškai išsijungia, kai jų vidus pasiekia potencialiai pavojingą temperatūrą (tai neleidžia procesui sukelti tolesnio gaisro), o po kurio laiko, atvėsus, jie vėl įsijungia automatiškai.

Plėtros autoriai teigia, kad tai yra pirmoji ličio baterija, kurią galima pakartotinai išjungti ir atkurti neprarandant savybių ir našumo.

Kūrimą keletą metų vykdė kelių žmonių komanda (įskaitant Zhenan Bao), todėl akumuliatoriui nebuvo būdingi du pagrindiniai trūkumai - staigus akumuliatoriaus talpos sumažėjimas po kelių įkrovimo ciklų ir, dar svarbiau, polinkis gaisrui ir sprogimas dėl perkaitimo ( grandininė reakcija sustoja automatiškai).

Šis sprendimas atėjo mokslininkams iš visiškai kitokios fizikos srities. Jie pagamino termometrus, naudodami nikelio nanodaleles, įterptas į ploną grafeno ir plastiko lakštą. Tai buvo neįprasti termometrai. Poilsio metu nikelio dalelės turėjo kontaktą viena su kita, tai yra, buvo gautas geras srovės laidininkas. Tačiau kai lakštas buvo kaitinamas, plastikas pradėjo po truputį plėstis, dėl to susilpnėjo kontaktas tarp laidžių nikelio dalelių, padidėjo viso laidininko atsparumas.

Šią savybę Stenfordo tyrėjai panaudojo momentinei automatinei ličio baterijų apsaugai ir visiškai automatiniam kontaktų atstatymui atvėsus. Jie priklijavo tokio plastiko lakštą prie vieno iš akumuliatoriaus elektrodų, kad padidėjus temperatūrai jis prarastų laidumą. O kai temperatūra siekia 70 ° C

Tačiau nepaisant sprendimo, mobiliųjų įrenginių gamintojai vis dar nedrįsta drastiškai keisti savo baterijų gamybos technologijos, kurios buvo sukurtos bėgant metams. Todėl programėlės vartotojams kurį laiką teks susitaikyti su galimu ličio baterijų pavojumi ir stengtis nenuleisti ir neperkaisti savo mobiliųjų prietaisų, ypač akumuliatorių. Galbūt artimiausiu metu problema bus visiškai išspręsta.

Taip pat žiūrėkite: Tinkamas ličio jonų akumuliatorių naudojimas