Чому спалахують і вибухають літієві акумулятори пристроїв
Суть проблеми з літієвими акумуляторами
Справа в тому, що в процесі заряду літієвого акумулятора в мобільному пристрої за допомогою вбудованого в акумулятор мікроконтролера реалізується досить складний алгоритм здійснення цього процесу, щоб температура батареї не виходила б за межі прийнятного температурного діапазону. Контролер відстежує для цієї мети багато параметрів батареї у процесі її заряджання.
Крім безпосередньо процесу заряджання, зберігання акумулятора також вимагає дотримання деяких правил, особливо щодо температури: не можна перегрівати, ні переохолоджувати акумулятор.
Основна проблема, що призводить до вибуху акумуляторів - ценадмірний розігрів електроліту через перевищення допустимої температури або внаслідок короткого замикання всередині акумуляторної комірки. Ланцюгова реакція легко ініціюється всередині комірки, що перегрілася, адже лужний метал літій дуже легко запалюється, внаслідок чого батарея здувається і в гіршому випадку — вибухає.
І навіть незважаючи на наявність «уважного» контролера, випадковий заводський шлюб (недостатня товщина ізолятора між осередками) може мати місце і призвести до сумних наслідків.
Звичайно, небезпечні удари, пробої, проколи, перегрів на сонці. Навіть якщо батарея впала і злегка вдарилася, всередині може відбутися порушення ізолятора, і це може призвести до раптової неприємності, навіть без явного перегріву.
Причина вибухонебезпечності літієвих акумуляторів
Анод та катод літій-іонного акумулятора розділені сепаратором із пористого полімеру. Катод має на собі активний матеріал, в якості якого найчастіше застосовують оксиди перехідних металів, в яківбудовані іони літію. Анод, зазвичай, графітний. Органічний розчин солей літію використовується як електроліт.
При першій зарядці на заводі, літій вбудовується в анод і на електродах утворюється шар електроліту, що розклався, який тепер служить захистом від зайвих реакцій, залишаючись при цьому іон-провідним.
Як зазначалося вище, внутрішнє коротке замикання - одна з основних причин самозаймання акумулятора. Причиною найкоротшого замикання може стати фізичне пошкодження або заводський шлюб, типу нерівної нарізки електродів або попадання металевих частинок між катодом і анодом, які порушують цілісність шару сепаратора.
Ще одна причина замикання - проростання ланцюжків металевого літію через сепаратор (якщо іони літію ще на заводі не встигли до кінця вбудуватися в кристал анода через надмірно швидку зарядку або від переохолодження, або якщо ємність активного матеріалу катода більша від ємності анода, що призводить до на аноді, які потім повільно, але невблаганно зростають).
Так от, якщо коротке замикання відбулося, то температура акумулятора починає підніматися, і при досягненні 70-90 ° C починається розкладання захисного шару іо-провідного анода. Літій анода реагує з електролітом, при цьому виділяються горючі вуглеводні, такі як етилен, метан, етан і т.д. Але до займання ще рано, адже не вистачає кисню.
Тим часом, екзотермічна реакція йде і температура зростає, тиск усередині корпусу акумулятора підвищується. При 180-200°C починається реакція диспропорціонування на катоді, де виділяється кисень. Відбувається займання, температура різко підвищується, а електроліт термічно розкладається, температура вже 200-300°C.
Нарешті, настає черга графіту, і здосягненням температури 660°C починає плавитися алюміній струмоприймача. Максимальна температура в цьому процесі зазвичай не встигає перевищити 900°C, оскільки все швидко закінчується повним розкладанням внутрішніх компонентів акумулятора.
Вже є успіхи у пошуках вирішення проблеми
А тим часом за безпеку літієвих акумуляторів борються фізики зі Стенфорда, які ще влітку 2015 розробили спеціальний захисний механізм, що вбудовується в акумулятор вже на стадії виробництва.
По суті йдеться про новий вид літієвих батарей, які автоматично відключаються при досягненні їх нутрощами потенційно небезпечної температури (що і запобігає процесу, що призводить до подальшого займання), а через деякий час, після остигання, автоматично вмикаються знову.
Автори розробки стверджують, що це перша літієва батарея, яка зможе багаторазово відключатися та відновлюватись без втрати своїх властивостей та робочих характеристик.
Розробка велася кілька років колективом з кількох людей (в числі яких Чженань Бао), в результаті вийшла батарея, позбавлена двох головних недоліків - різкого зниження ємності акумулятора після кількох циклів перезаряду і, що більш важливо, схильності до спалахів і вибухів через перегрівання ( ланцюгова реакція автоматично зупиняється).
Рішення дійшло вченим зовсім з іншої галузі фізики. Вони робили термометри використовуючи наночастинки нікелю, вбудовані в тонкий аркуш із графену та пластику. То були незвичайні термометри. У спокої частки нікелю один з одним стикалися, тобто виходив добрий провідник струму. Але коли лист розігрівався, пластик починав трохи розширюватися, що призводило до послаблення контакту між нікелевими, що проводять.частинками, і опір всього провідника зростало.
Ось цю властивість і застосували дослідники зі Стенфорда для миттєвого автоматичного захисту літієвих батарей і для автоматичного відновлення контакту після охолодження. Вони приклеїли лист такого пластику до одного з електродів батареї, щоб він втрачав провідність із зростанням температури. І коли температура досягає 70°C
Але, незважаючи на знайдене рішення, виробники мобільних пристроїв все одно не наважуються різко змінювати напрацьовану роками технологію виробництва своїх акумуляторів. Тому користувачам гаджетів доведеться ще на деякий час упокоритися з наявністю потенційної небезпеки літієвих батарей, і намагатися не кидати і не перегрівати свої мобільні пристрої, а тим більше акумулятори. Можливо, у найближчому майбутньому проблема буде повністю вирішена.