Как взрываются литий ионные аккумуляторы. Почему у Samsung'а взрываются литиевые батареи, и как это может изменить электронную промышленность. Ядерная батарея или батареи будущего

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.

27 сентября 2016 в 21:38

Kак взрываются литий-ионные аккумуляторы

Энергия и элементы питания ,
Химия

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…

Пользователи смартфонов и планшетов конечно знают о проблеме взрывоопасности литиевых аккумуляторов своих гаджетов. И за яркими примерами далеко ходить не приходится. Недавно, например, компания Самсунг столкнулась с наболевшей проблемой лично, и была вынуждена отозвать первую серию нового Note 7, поскольку аккумуляторы взрывались прямо в процессе зарядки. Так или иначе, проблема остается таковой с начала появления сотовых телефонов, ИКАО даже в 2016 году запретила к перевозке в грузовых отсеках гражданского транспорта коммерческие партии .

Дело в том, что в процессе заряда литиевого аккумулятора в мобильном устройстве, при помощи встроенного в аккумулятор микроконтроллера реализуется довольно сложный алгоритм осуществления этого процесса, чтобы температура батареи не выходила бы за пределы приемлемого температурного диапазона. Контроллер отслеживает для этой цели многие параметры батареи в процессе ее зарядки.

Кроме непосредственно процесса зарядки, хранение аккумулятора тоже требует соблюдения некоторых правил, особенно касательно температуры: нельзя ни перегревать, ни переохлаждать аккумулятор.

Основная проблема, приводящая к взрыву аккумуляторов — это чрезмерный разогрев электролита из-за превышения допустимой температуры или вследствие короткого замыкания внутри аккумуляторной ячейки . Цепная реакция легко инициируется внутри перегревшейся ячейки, ведь щелочной металл литий очень легко воспламеняется, вследствие чего батарея вздувается и в худшем случае — взрывается.

И даже несмотря на наличие «внимательного» контроллера, случайный заводской брак (недостаточная толщина изолятора между ячейками) может иметь место и привести к печальным последствиям.

Конечно опасны удары, пробои, проколы, перегрев на солнце. Даже если батарея упала и слегка ударилась, внутри может произойти нарушение изолятора, и в дальнейшем это возможно приведет к внезапной неприятности, даже без явного перегрева.

Анод и катод литий-ионного аккумулятора разделены сепаратором из пористого полимера. Катод имеет на себе активный материал, в качестве которого зачастую применяют оксиды переходных металлов, в которые встроены ионы лития. Анод, как правило, графитный. Органический раствор солей лития используется в качестве электролита.

При первой зарядке на заводе, литий встраивается в анод и на электродах образуется слой разложившегося электролита, который теперь служит защитой от лишних реакций, оставаясь при этом ион-проводящим.

Как отмечалось выше, внутреннее короткое замыкание — одна из основных причин самовозгорания аккумулятора. Причиной же самого короткого замыкания может стать физическое повреждение или заводской брак, типа неровной нарезки электродов или попадания металлических частиц между катодом и анодом, которые нарушают целостность слоя сепаратора.

Еще одна причина замыкания — прорастание цепочек металлического лития через сепаратор (если ионы лития еще на заводе не успели до конца встроиться в кристалл анода из-за чрезмерно быстрой зарядки или от переохлаждения, либо если емкость активного материала катода больше емкости анода, что приводит к отложениям на аноде, которые потом медленно, но неумолимо растут).

Так вот, если короткое замыкание произошло, то температура аккумулятора начинает подниматься, и при достижении 70-90°C начинается разложение защитного ион-проводящего слоя анода. Литий анода реагирует с электролитом, при этом выделяются горючие углеводороды, такие как этилен, метан, этан и т. д. Но до возгорания еще рано, ведь не хватает кислорода.

Между тем экзотермическая реакция идет и температура растет, давление внутри корпуса аккумулятора повышается. При 180-200°C начинается реакция диспропорционирования на катоде, где и выделяется кислород. Происходит воспламенение, температура резко повышается, а электролит термически разлагается, температура уже 200-300°C.

Наконец, наступает очередь графита, и с достижением температуры в 660°C начинает плавиться алюминий токоприемника. Максимальная температура во всем этом процессе обычно не успевает превысить 900°C, поскольку все быстро заканчивается полным разложением внутренних компонентов аккумулятора.

Уже есть успехи в поисках решения проблемы

Для решения проблемы производителям смартфонов можно ужесточить регулирование, сделать дополнительные предохранители в аппаратах и в аккумуляторах, усложнить контроллеры, однако это приведет к удорожанию аккумуляторов и всей продукции, в комплекте с которой аккумулятор продается. Компании конкурируют между собой, и просто экономически не могут пойти на это.

А тем временем за безопасность литиевых аккумуляторов борются физики из Стенфорда, которые еще летом 2015 года разработали специальный защитный механизм, встраиваемый в аккумулятор уже на стадии производства.

По сути речь идет о новом виде литиевых батарей, которые автоматически отключаются при достижении их внутренностями потенциально опасной температуры (что и предотвращает процесс, приводящий к последующему возгоранию), а через некоторое время, после остывания, автоматически включаются вновь.

Разработка велась несколько лет коллективом из нескольких человек (в числе которых Чженань Бао), в итоге получилась батарея, лишенная двух главных недостатков — резкого снижения емкости аккумулятора после нескольких циклов перезаряда и, что более важно, склонности к возгораниям и взрывам из-за перегрева (цепная реакция автоматически останавливается).

Решение пришло к ученым совсем из другой области физики. Они делали термометры используя наночастицы никеля, встроенные в тонкий лист из графена и пластика. Это были необычные термометры. В покое частицы никеля друг с другом соприкасались, то есть получался хороший проводник тока. Но когда лист разогревался, пластик начинал немного расширяться, что приводило к ослаблению контакта между проводящими никелевыми частичками, и сопротивление всего проводника возрастало.

Вот это свойство и применили исследователи из Стенфорда для мгновенной автоматической защиты литиевых батарей и для полного автоматического восстановления контакта после остывания. Они приклеили лист такого пластика к одному из электродов батареи, чтобы он терял проводимость с ростом температуры. И когда температура достигает 70°C

Но несмотря на найденное решение, производители мобильных устройств все равно не решаются резко менять наработанную годами технологию производства своих аккумуляторов. Поэтому пользователям гаджетов придется еще на некоторое время смириться с наличием потенциальной опасности литиевых батарей, и стараться не ронять и не перегревать свои мобильные устройства, а тем более аккумуляторы. Возможно в скором будущем проблема будет полностью решена.

В нашей жизни литиевые батареи уже прочно заняли свое место и во многих случаях играют ключевую роль. Конечно же, срок службы каждого аккумулятора ограничен, но может ли он работать дольше и более эффективно? Надеюсь, небольшой сборник полезных советов, предоставленный ниже, Вам обязательно пригодится.

Как литиевые батареи взрываются?

Стандартные условия использования аккумуляторов: температура окружающей среды до 60 градусов Цельсия, без каких-либо дополнительных термо- и/или механических воздействий. Эти идеальные условия обеспечат максимальный срок службы аккумулятора и оградят вас от неприятных сюрпризов.

В то же время, батарея не должна находиться в сжатом пространстве, возле источников огня или высокой температуры, в процессе использования, батарея не должна подвергаться физической деформации, прокалываться, или даже просверливаться. Потому что, даже один из этих моментов, может спровоцировать взрыв аккумулятора.

И еще! Не в коем случае не разбирайте аккумуляторы!

Внешний вид аккумуляторов

После продолжительного использования, литиевый аккумулятора начинает вырабатывать газ и сам аккумулятора начинает раздуваться. В более редких случаях, аккумулятор начинает течь. И если вдруг, Вы заметите подобные изменения в аккумуляторе, то следует немедленно прекратить использование устройства, а сам аккумулятор отсоединить от источника потребления. Конечно, при этом надо соблюдать осторожность, чтобы не закоротить контакты самого аккумулятора.

Все аккумуляторы в среднем рассчитаны на определенное количество разрядов и зарядов. Со временем использования, внутренняя структура аккумулятора разрушается, изменяется форма аккумулятора и емкость начинает снижаться. Я пишу это не для того, чтобы Вы начали меньше пользоваться приборами на литиевых батареях, я пишу это для того, чтобы Вы оценивали «возраст» и срок оставшейся жизни аккумулятора. Ниже находится фото плеера, в котором аккумулятор раздавил экран и деформировал корпус.

Кроме того, мы и сами у себя должны вырабатывать хорошие привычки, пользоваться только оригинальными зарядными устройствами. Каждая батарея, в зависимости от емкости, типа и используемого материала, имеет определенный параметры заряда, поэтому даже один и тот же производитель мобильных устройств может выпускать разные зарядные устройства. Пожалуйста, не забывайте об этом.

Как ухаживать за литиевыми батареями?

Как уже писалось выше, по мере использования, срок службы аккумуляторов сокращается. Так вот, если в процессе эксплуатации батареи, Вы замечаете, что при том же времени заряда аккумулятора, время работы устройства значительно сокращается, то скорее всего, срок жизни аккумулятора подходит к концу и Вам пора задуматься о его замене.

Раньше часто уделялось внимание тренировкам батарей, путем нескольких циклов полного разряда и заряда. Пора уже это забыть. Литиевые батареи не обладаю эффектом памяти, поэтому данные «процедуры» для них просто бесполезны.

Оптимальные условия для хранения аккумулятора: уровень заряда около 40%, в прохладном (0-10 градусов) месте. При этом вы можете не беспокоиться об аккумуляторах около полу года. Раз в пол года можно проверить уровень заряда, для поддержании его около отметки 40%.

Хотелось бы еще отметить и тот факт, что литиевые аккумуляторы подвержены естественному старению, даже, если они не используются. Примерно за 2 года, батарея теряет около трети своей емкости. Это говорит о том, что нет необходимости запасаться такими батареями в прок и, что при их покупки, необходимо обращать на дату изготовления.

Ядерная батарея или батареи будущего.

Технологии не стоят на месте, но мы до сих пор несколько раз в неделю, дома должны доставать зарядное устройство и подключать наш мобильный телефон и плеер на зарядку на ночь. Это у нас вошло в привычку и на рутинность этих действий мы уже не обращаем внимание…

А в тоже время, уже сейчас существуют ядерные источники питания, размеры которых соизмеримы с размерами монеты.　 Подобные источники, способны вырабатывать энергию на протяжении около сотни лет без какого-либо вмешательства и каких-либо подзарядок, что заставляет задуматься о перспективе этого направления, не так ли?! Кроме того, не стоит пугаться названия, эти элементы абсолютно безвредны для жизни и здоровья живых существ.

Так что скоро, похоже, мы полностью забудем, что такое зарядное устройство, какие они бывают и как им пользоваться

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.