Почему взрывы аккумуляторов — это нормально
Литий-ионные батареи используются в подавляющем большинстве современных электронных устройств. Они легкие, компактные и способны хранить значительное количество энергии. Почему взрываются литий-ионные батареи, The Verge объяснил с научной точки зрения.
Загореться может любой смартфон
От возгорания не застрахован ни один гаджет с литий-ионной батареей. Так, возгорались iPhone, смартфоны Xiaomi, Samsung Galaxy Note 7, другие модели Samsung и т.д. По той же причине в США запрещали провозить в самолетах ховерборды – в них аккумуляторы гораздо крупнее, вероятность возгорания выше.
Аккумуляторы взрываются, потому что производители слишком многого от них требуют
Взрыв аккумулятора часто означает, что производитель стремится превзойти самого себя, выйти за технологические пределы и пожертвовать надежностью в пользу скорости зарядки или мощности устройства в целом. Ученый-материаловед Линден Арчер из Корнелльского университета отмечает, что мир уже достиг 90% максимального теоретически возможного срока службы литий-ионных батарей, поэтому производителям сейчас крайне сложно получать каждый дополнительный процент.
Как работают литий-ионные батареи
В любой литий-ионной батарее есть два электрода, или электрических проводника, расположенных в разных ее частях. Один электрод удерживает положительно заряженные ионы и называется катодом. Он погружен в литий – «топливо» аккумулятора. На другой стороне расположен электрод, удерживающий отрицательные ионы – это анод.
Во время зарядки ионы лития перемещаются от катода к аноду. Когда батарея используется, они движутся в противоположном направлении. Зарядка и разрядка происходят так:
Ток проводит электролит, при этом катод и анод никогда не соприкасаются. Для этого между ними установлены разделители.
Тепловой пробой
В Samsung Galaxy Note 7 разделитель между катодом и анодом был слишком тонким и мог легко повредиться. Катод и анод соприкоснулись, вся накопленная энергия отправилась непосредственно внутрь батареи, а не на электроды. Возникло короткое замыкание, аккумулятор нагрелся, произошел взрыв.
Электролиты стабильностью не отличаются – иначе ионы не могли бы быстро начинать движение. Когда температура электролита возрастает (из-за короткого замыкания или внешнего нагрева), он вступает в реакцию с другими химическими веществами. Образуется газ, а с ним и дополнительная тепловая энергия из энергии электрической. При каждой реакции газа и тепла становится все больше, возникает «тепловой пробой» (скачок электропроводности из-за джоулева разогрева), появляется пламя.
Проблемы начинаются, когда батареи заряжают слишком интенсивно или слишком быстро
Чтобы не допустить теплового пробоя и выхода гаджета из строя, многие производители обеспечивают его автоматическое отключение при достижении определенной температуры. Но если аккумулятор заряжается слишком быстро или слишком интенсивно, электроника может не успеть предотвратить возгорание.
Генеральный директор Unwired Devices LLC Олег Артамонов прокомментировал ситуацию специально для Hi-Tech Mail.Ru:
С одной стороны, аккумуляторы в смартфонах действительно взрывались не только у Samsung. Но с другой, в данном случае важно отличать случайность от технологического дефекта. Олег Артамонов, Генеральный директор Unwired Devices LLC
Эксперт отмечает, что основная причина возгорания аккумуляторов — это внутренние короткие замыкания, приводящие к разогреву и разложению электролита. Они могут возникнуть из-за внешних воздействий, например, из-за зарядки аккумулятора слишком большим током или при слишком низкой температуре. Однако современные контроллеры заряда такие ситуации легко определяют. Конечно же, в единичном случае контроллер заряда может оказаться неисправным, как и любая другая электроника.
Такие неприятности случаются время от времени, и их частота не растет. Куда хуже, если к возгоранию приводит внутренний дефект аккумулятора. Во-первых, никакая схема защиты не способна такой аккумулятор уберечь. Во-вторых, внутренние дефекты часто развиваются постепенно — литиевые дендриты подрастают при каждой зарядке, в сепараторе (разделителе) появляются несколько новых трещин при каждой разрядке. В случае с Samsung первую неделю речь шла о телефонах в режиме быстрой зарядки. В первую очередь дефект проявится на более жестко эксплуатирующихся образцах, со временем процент проблемных устройств будет только расти. Поэтому и решение о полной остановке производства и продаж Note 7, которое принял Samsung — единственно верное в данной ситуации. Олег Артамонов, Генеральный директор Unwired Devices LLC
В аккумуляторах также возникает эффект перезарядки. На анод переходит слишком много ионов лития – это можно сравнить с закипанием полной до краев кастрюли воды. Конечно, существуют механизмы, которые предупреждают перезарядку, но они не всегда срабатывают.
Ученый-материаловед из Принстонского университета Дэн Штейнгарт сравнивает аккумулятор с резинкой.
Когда вы заряжаете его, вы растягиваете резинку, когда используете устройство, резинка возвращается в исходное состояние. Но если растянуть резинку слишком сильно, она порвется.
Точно так же очень большое количество энергии с одной стороны разрушает батарею.
Некоторые производители повышают напряжение в батарее, чтобы обеспечить повышение количества хранимой энергии (емкость – это отношение количества электричества к напряжению). Но повышение напряжения также увеличивает риск взрыва аккумулятора.
Как этого избежать
-Ученые работают над созданием электролитов, которые не воспламеняются – так называемых ионных жидкостей. Таким составам требуется гораздо больше тепла, чтобы образовался горючий газ.
-Многие эксперты говорят об опасности использования технологии быстрой зарядки. По возможности рекомендуется заряжать смартфон с обычной скоростью – это снизит риск возгорания.
-Кроме того, при регулярном использовании быстрой зарядки может произойти металлизация аккумулятора. Ионы лития, которые не успели найти свое место, постепенно образуют игольчатые структуры. В результате емкость аккумулятора падает, вероятность взрыва растет.
-Аккумулятор может загореться, и если зарядное устройство несовместимо с ним. Пользуйтесь только оригинальными зарядными устройствами.