Какие батарейки взрываются. Взрыв аккумулятора телефона: почему это может произойти? Взрыв литий-ионных аккумуляторов

Samsung недавно отозвал смартфоны Galaxy Note 7 после того, как несколько пользователей сообщили о возгораниях и взрывах батарей. Чем это было вызвано, и почему литий-ионные батареи имеют такую плохую репутацию из-за возникновения возгораний.

Великий Отзыв

Samsung объявил, что все устройства Galaxy Note 7 должны быть отозваны из-за сообщений пользователей о перегреве батарей, возгораниях и даже взрывах. Galaxy Note 7 был выпущен 2 сентября 2016 года (предзаказы начались с 16 августа) и находился на витринах магазинов в течение месяца. Тем не менее, это не означает, что все устройства Samsung опасны, так как из 1 миллиона общего количества проданных в США устройств лишь у 92 была обнаружена неисправность.

Тем не менее, эти инциденты привлекли много внимания у средств массовой информации, так как неисправность, появляющаяся у устройств, представляла опасность для людей и могла быть причиной пожара (о чем и узнал один из пользователей , оставив телефон заряжаться в автомобиле).

Но почему эти батареи загорелись? Что в литий-ионных батареях может привести их к такому взрывному концу? Чтобы ответить на эти вопросы, мы должны понять, как работает литий-ионный аккумулятор.

Литий-ионные аккумуляторы

Как и большинство аккумуляторов, литий-ионные аккумуляторы состоят из трех основных частей: анод (клемма +), электролит и катод (-).

В литий-ионных батареях анод обычно изготовлен из оксида лития-кобальта LiCoO 2 (в новых батареях может использоваться фосфат лития-железа LiFePO 4), а катод выполнен из углерода. Электролит в таких аккумуляторах должен иметь возможность передавать положительные ионы между электродами, но и быть изолятором для электрического тока (потока электронов). Электролиты в разных аккумуляторах могут различаться, но, как правило, это соли лития в органическом растворителе.

Цикл заряда

Когда литий-ионный аккумулятор заряжается, ионы лития удаляются из анода и внедряются в пористый углеродный катод. В то же время электроны из анода удаляются и переносятся к катоду, где они соединяются с ионами, и металлический литий оседает в углероде.

Цикл разряда

Во время цикла разряда (когда между клеммами аккумулятора подключена нагрузка) электроны из катода притягиваются к аноду, что приводит к тому, что внедренные в углеродный катод ионы лития возвращаются через электролит обратно к аноду, где они снова соединяются с электронами и образуют металлический литий.

Поток электронов и поток ионов в электролите дополняют друг друга, и заряд может происходить только, если оба этих процесса активны. Если кто-то остановится (например, поток электронов), то остановится и другой процесс (в этом случае поток ионов).

Перегрев

Так почему же литий-ионные аккумуляторы обладают плохой привычкой перегрева и возгорания?

Проблема сводится к двум факторам:

скорость отложения ионов лития на углеродистом катоде;
температура батареи.

Когда батарея заряжается, ионы лития должны внедряться в катод, что известно как интеркаляция . Этот процесс очень важен, так как, вместо оседания в виде металлического лития на поверхности катода, ионы лития проникают в пористые участки катода.

Если литий-ионный аккумулятор заряжается слишком быстро, ионы лития оседают на поверхности катода в виде напыления лития вместо того, чтобы быть поглощенными пористыми участками. Это очень серьезно, так как расстояние между двумя пластинами в обычном литий-ионном аккумуляторе очень мало (измеряется в миллиметрах). По мере того, как слой напыления никеля становится толще, в конечном итоге он может вступить в контакт с анодом, что создаст короткое замыкание.

Короткое замыкание может привести к огромному значению тока разряда, который и нагревает батарею. По мере того, как аккумулятор нагревается, он рискует войти в фазу необратимого роста температуры, где увеличение температуры увеличивает скорость реакции, что еще больше увеличивает температуру. Это может привести к тому, что ячейка батареи задымится, воспламенится и даже взорвется.

Так как же избежать подобного?

Ответ заключается в электронике, которая постоянно контролирует температуру батареи, напряжение и выходной ток. Во время заряда батарея тщательно контролируется, а ток заряда удерживается на низком уровне. Это намеренно увеличивает время, необходимое для заряда аккумулятора, но в результате дает отсутствие металлизации лития на катоде. Когда батареи находятся в использовании, контроллер может продолжать измерять температуру батареи и выключить ячейки, чтобы предотвратить дальнейшее повреждение.

Взрыв литий-ионных аккумуляторов

Ситуация с Samsung и их потенциально опасными батареями не нова. На самом деле, очень часто приходится слышать о литий-ионных аккумуляторах, вызывающих повреждения и возгорания, в том числе, ховербордов, iPhone"ов и даже ноутбуков .

Так почему же мы до сих пор используем эти батареи, если они могут представлять собой вполне реальную опасность?

Вкратце, мы продолжаем использовать литий-ионные батареи потому, что они обладают рядом преимуществ по сравнению с другими аккумуляторами и обычными батареями.

Во-первых, литий-ионные батареи перезаряжаемы, в отличие от обычных батарей, которые вы можете найти в некоторых камерах, пультах дистанционного управления и игрушках.

Во-вторых, литий-ионные батареи не страдают от явления, называемого «эффектом памяти», так сильно, как другие аккумуляторные батареи (например, NiMh и NiCd). Проще говоря, эффект памяти это когда аккумулятор теряет свою емкость, если он не был полностью разряжен перед последующей зарядкой.

Литий-ионные аккумуляторы также меньше по весу и имеют более высокую плотность энергии по сравнению с другими технологиями аккумуляторов. Этот фактор делает литий-ионные аккумуляторы более предпочтительными для портативных устройств, электроинструментов и даже для электрических транспортных средств.

Итого

Литий-ионные аккумуляторы активно используются из-за их весовых характеристик и плотности энергии, но это может привести к тому, что эти батареи могут выйти из строя и нанести вред.

Если случаи с неисправными литий-ионными аккумуляторами продолжат происходить, то это не заставит долго ждать вмешательства государств, которые могут изменить правила использования подобных источников питания (примечание, в октябре 2016 года в аэропортах в России были развешены объявления о необходимости предупредить экипаж самолета, если вы перевозите Samsung Galaxy Note 7).

Новые технологии, более умные устройства, а также лучшие материалы могут уменьшить риск возникновения неисправностей подобных устройств, но эти изменения, возможно, должны прийти как можно раньше до того, как кто-то серьезно пострадает от этих источников питания.

Последнее время тема самовозгорания литий-ионных аккумуляторов часто мелькает в заголовках новостей: то смартфон загорится, то ховерборд, а то и автомобиль. Так что же происходит внутри аккумулятора во время термического разгона и почему возникает самовозгорание?

Чаще всего причиной самовозгорания аккумуляторов является короткое замыкание внутри электрохимической ячейки. Электрический контакт между анодом и катодом может возникнуть по многим причинам. Это может быть, например, механическое повреждение ячейки. Ещё внутреннее короткое замыкание возникает из-за нарушения технологии производства при неровной нарезке электродов или попадании металлических частиц между анодом и катодом, что ведёт ко повреждению пористого сепаратора. Также причиной внутреннего короткого замыкания может быть «прорастание» цепочек металлического лития (дендритов) через сепаратор. Такой эффект возникает, если ионы лития не успевают встроиться в кристалл анода при слишком быстрой зарядке или низкой температуре, а также если ёмкость активного материала катода превышает ёмкость анода, в результате чего на поверхности анода появляются микроскопические отложения, которые постепенно растут.

Итак, после того, как произошло короткое замыкание, аккумулятор начинает нагреваться. Когда температура достигает 70-90 °C, ион-проводящий защитный слой на аноде начинает разлагаться. А дальше литий, встроенный в анод, вступает в реакцию с электролитом, выделяя летучие углеводороды: этан, метан, этилен и т.д. Но, несмотря на наличие такой взрывоопасной смеси, возгорания не происходит, так как в системе пока нет кислорода.

Так как реакции с электролитом экзотермические, температура и давление внутри аккумулятора продолжают повышаться. Когда температура достигает 180-200 °C, материал катода, обычно представляющий из себя оксид переходных металлов со встроенным в кристалл литием, вступает в реакцию диспропорционирования и выделяет кислород. Вот тут-то и происходит самовозгорание и ещё более резкий скачок температуры. Параллельно идёт термическое разложение электролита (200-300 °C), также выделяющее тепло. Выглядит это так:

И, в конце концов, в реакцию с электролитом (если он ещё остался) вступает графит, а когда температура достигает 660 °C, плавится алюминиевый токоприёмник. Выше 900°C температура обычно не поднимается, так как разлагаться уже нечему.

Помимо внутреннего короткого замыкания существуют и другие причины самовозгорания: перегрев аккумулятора, неправильная зарядка/разрядка (превышение максимально допустимого напряжения, зарядка на высоких токах, слишком глубокая разрядка), и т.д. Но все эти причины приводят к одному результату: термическому разгону и разложению электролита при взаимодействии с электродами. Различаются только порядки вышеописанных реакций и их скорость.

Естественно, производители аккумуляторов предусмотрели системы защиты от самовозгорания, и чем больше и мощнее аккумулятор, тем больше степеней защиты он содержит. Одним из видов защиты от небольшого короткого замыкания является пористый сепаратор, который при локальном повышении температуры становится непроницаемым и препятствует, к примеру, дальнейшему росту дендритов внутри аккумулятора. Но иногда температура повышается слишком быстро, и сепаратор просто плавится, в результате чего анод соприкасается с катодом.

Также аккумуляторы оборудованы предохранителями и клапанами, которые при повышении давления и температуры внутри либо отключают электроды от цепи, либо способствуют выходу наружу скопившегося газа. В последнем случае, так как газы легковоспламеняющиеся, при контакте с кислородом снаружи возникает пламя. Пример действия защитных клапанов можно было наблюдать при аварии с участием автомобиля Тесла Model S, где аккумулятор был пробит крупным металлическим предметом. Так как в Тесле клапаны аккумуляторов были направлены вниз на асфальт и отдельные блоки были хорошо изолированы друг от друга, сгорела лишь передняя часть аккумулятора (как сказал Элон Маск, если бы тот же металлический предмет пробил бак с бензином, машины бы сгорела целиком).

Кстати, термическая изоляция отдельных блоков в крупном аккумуляторе очень важна. Если в вышеупомянутом примере аккумулятор Теслы не загорелся полностью из-за хорошей термоизоляции, то в случае аккумулятора на борту Боинга 787 самовозгорание произошло из-за того, что блоки были недостаточно изолированы друг от друга, что привело к перегреву всей системы.

Также литий-ионные аккумуляторы оснащены контроллерами, сенсорами, балансирами заряда, и т.д. Подробнее про системы безопасности аккумуляторов можно почитать .

Как видно из этого поста, самый опасный компонент аккумулятора- электролит, который разлагается на легковоспламеняющиеся компоненты при повышении температуры. На сегодняшний день учёные пытаются найти более стабильные альтернативы: ионные жидкости, полимерные электролиты, твёрдотельные керамические электролиты и т.д. Но это-отдельная тема…

Источники:

Теги: Добавить метки

27 сентября 2016 в 21:38

Kак взрываются литий-ионные аккумуляторы

Энергия и элементы питания ,
Химия

Литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы внешне напоминают привычные пальчиковые батарейки, однако имеют огромное преимущество над ними в силе тока и емкости. Им нашлось применение в современных бытовых приборах: от смартфонов до видеокамер.

Следует помнить, что как и любая другая батарейка, литий-ионный аккумулятор несет в себе некоторые риски. Несмотря на то, что такая батарейка имеет относительно небольшой размер, последствия ее взрыва могут быть весьма печальными. Неправильная эксплуатация и утилизация могут стать причиной ожога, отравления и загрязнения окружающей среды.

Но, пожалуй, самое страшное, что . А значит, каждый обязан быть в курсе того, что делать, если причиной возгорания стала литий-ионная батарейка.

Прежде всего следует отметить, что возгорание батарейки этого типа – крайне редкое дело. Батарейка скорее вздуется, и из нее вытечет электролит, но тем не менее в новостях каждый год описывают случаи взрыва аккумуляторов у смартфонов и прочих устройств.

Каковы причины взрыва Li-ion аккумулятора?

Чаще всего взрываются батарейки, чей срок службы давно истек. По прошествии 4-5 лет корпус и внутренности батарейки претерпевают изменения вследствие действия электролита, и потому аккумулятор становится крайне уязвим к перепаду температур, вибрации, короткому замыканию и механическим повреждениям. Из-за замыкания химические вещества, содержащиеся внутри аккумулятора, вступают в реакцию и образуют газы. Батарейка начинает греться и вздувается.

Разумеется, аккумулятор обладает защитой: это специальный клапан, который открывается под определенным давлением и позволяет газам выйти наружу. Но иногда скорость реакции внутри настолько велика, что происходит настоящий взрыв батарейки, при котором вы видим потоки искр. Так воспламеняются газы при контакте с кислородом из атмосферы.

Как тушить такой пожар?

Если устройство было подключено к сети, в первую очередь нужно выдернуть шнур из розетки. Горение батарейки от этого не прекратится, но так вы обезопасите себя и свою квартиру от больших повреждений. Постарайтесь вынуть аккумулятор из устройства и отнести его в огнеупорное место, например, в ванну или кухонную раковину. Если есть возможность, дайте ему просто выгореть и остыть, а затем утилизируйте.

Порошковый огнетушитель – самое действенное средство борьбы с горящим литий-ионным аккумулятором. Но в критической ситуации подойдут любые стандартные противопожарные меры: тушение водой, песком, плотной тканью.

Следует напомнить, что мы говорим об аккумуляторах маленького размера. Тушение водой крупных Li-ion батарей, которыми оснащены электромобили, крайне опасно из-за бурной реакции лития с водой.

Самовозгорание литиевого Li-ion аккумулятора

В то время как литий-ионные батареи в целом невероятно безопасны, они очень редко загораются или взрываются. Когда это происходит, например, с Galaxy Note 7 от Samsung или недавним отзывом ноутбука HP, это всегда большие новости. Итак, что происходит и почему батареи иногда выходят из строя? Расскажем в этой статье.

Аккумуляторные литий-ионные батареи — это тип батареи, которая находится внутри Вашего ноутбука, телефона, планшета и почти любого другого современного гаджета, который у Вас есть, а также электрические автомобили и самолеты.

Что внутри литий-ионной батареи?

Чтобы понять, почему литий-ионные батареи иногда взрываются, Вам нужно знать, что происходит внутри. Внутри каждой литий-ионной батареи есть два электрода: положительно заряженный катод и отрицательно заряженный анод, разделенный тонким слоем микроперфорированного пластика, который удерживает два электрода от касания. Когда Вы заряжаете литий-ионную батарею, ионы лития выталкиваются электричеством из катода, через микроперфляции в сепараторе и электропроводящей жидкости, а также в анод. Когда батарея разряжается, происходит обратное с ионами лития, текущими от анода к катоду. Это реакция, которая питает Ваш ноутбук.

Маленькие батареи, такие как у смартфонов, обычно имеют только одну литий-ионную ячейку. Большие батареи, как и ноутбуках, обычно имеют от 6 до 12 литий-ионных элементов. Батареи в электрических машинах и самолетах могут иметь сотни ячеек.

Что делает литий-ионную батарею взрывоопасной?

То, что делает литий-ионные батареи полезными, также дает им способность загореться или взорваться. Литий действительно хорош в хранении энергии. Когда он выпущен как струйка, он весь день заряжает Ваш телефон. Когда он будет выпущен весь за один раз, батарея может взорваться.

Большинство литий-ионных батарейных пожаров и взрывов сводится к проблеме короткого замыкания. Это происходит, когда пластиковый сепаратор выходит из строя и позволяет касаться анода и катода. И как только эти двое соприкасаются, батарея начинает перегреваться.

Существует ряд причин, по которым разделитель может выйти из строя:

Дефекты дизайна или изготовления: аккумулятор плохо разработан, как в случае с Galaxy Note 7. В этом случае недостаточно места для электродов и сепаратора в батарее. В некоторых моделях, когда батарея немного увеличилась при зарядке, электроды согнулись и вызвали короткое замыкание. Даже хорошо спроектированная батарея может выйти из строя, если контроль качества не будет достаточно тщательным или есть дефект в производстве.
Внешние факторы: Экстремальное тепло почти гарантированно вызывает отказ. Известно, что батареи, находящиеся слишком близко к источнику тепла или попавшим под огонь, взрываются. Другой внешний фактор может привести к сбою литий-ионной батареи. Если Вы проткнете батарею (случайно или намеренно), то Вы почти наверняка вызовете короткое замыкание.
Проблемы с зарядным устройством: плохо сделанное или плохо изолированное зарядное устройство также может повредить литий-ионный аккумулятор. Если зарядное устройство замыкает или генерирует тепло рядом с батареей, оно может нанести достаточный урон, чтобы вызвать сбой. Поэтому мы рекомендуем использовать только официальные зарядные устройства (или, по крайней мере, высококачественные сторонние устройства от уважаемых брендов). Литий-ионные аккумуляторы имеют встроенные средства защиты, чтобы остановить их перезарядку. Хотя очень редко, если эти меры предосторожности терпят неудачу, перезарядка приводит к перегреву батареи.
Несколько ячеек: хотя они не имеют отношения к батареям с одной ячейкой, подобным тем, которые присутствуют на большинстве смартфонов (на самом деле у iPhone X есть две ячейки), только одна батарейная ячейка должна быть неисправна чтобы испортить всю батарею. Как только одна ячейка перегревается, Вы получаете эффект домино, называемый «Thermal Runaway». Для батарей с сотнями ячеек, подобных тем, что у Tesla Model S-thermawaway, потенциально может быть действительно большой проблемой.

Несмотря на то, что литий-ионные батареи иногда взрываются — это безопасная и зрелая технология. Тот факт, что это всегда новости, когда батарея взрывается неожиданно, показывает, насколько редко случаются эти большие неудачи. Производители аккумуляторов устанавливают множество мер предосторожности для предотвращения сбоев батарей или, по крайней мере, смягчают ущерб, который может вызвать сбой.