Hvorfor eksploderer batterier

Brukere av smarttelefoner og nettbrett er selvfølgelig klar over eksplosjonsfaren for litiumbatterier i dingsene deres. Og slående eksempler trenger ikke å gå langt. Nylig, for eksempel, møtte Samsung et smertefullt problem personlig, og ble tvunget til å trekke den første serien av den nye Note 7, siden batteriene eksploderte rett under lading. På en eller annen måte forblir problemet det samme fra begynnelsen av utseendet til mobiltelefoner; til og med i 2016 forbød ICAO kommersielle forsendelser i lasterommene til sivil transport litiumbatterier.

Essensen av problemet med litiumbatterier

Faktum er at i prosessen med å lade et litiumbatteri i en mobil enhet, ved å bruke mikrokontrolleren innebygd i batteriet, implementeres en ganske komplisert algoritme for å implementere denne prosessen slik at batteritemperaturen ikke går utover det akseptable temperaturområdet. Kontrolleren overvåker for dette formålet mange parametre for batteriet under lading.

I tillegg til selve ladeprosessen, krever lagring av batteriet også at visse regler overholdes, spesielt når det gjelder temperatur: du kan verken overopphete eller superkjøle batteriet.

Hovedproblemet med å få eksplodere batterier er overdreven oppvarming av elektrolytten på grunn av overskridelse av den tillatte temperaturen eller på grunn av en kortslutning inne i battericellen. Kjedereaksjonen startes lett inne i den overopphetede cellen, fordi alkalimetallitiumet veldig lett blir antent, som et resultat av at batteriet sveller og i verste fall eksploderer.

Og selv til tross for tilstedeværelsen av en "oppmerksom" kontroller, kan en utilsiktet fabrikkfeil (utilstrekkelig tykkelse på isolatoren mellom cellene) finne sted og føre til triste konsekvenser.

Sjokk, sammenbrudd, punktering, overoppheting i solen er selvfølgelig farlig. Selv om batteriet har falt og truffet litt, kan et sammenbrudd av isolatoren skje inni, og i fremtiden kan dette føre til et plutselig trøbbel, selv uten åpenbar overoppheting.

Eksplosjon Årsak til litiumbatterier

Anoden og katoden til litium-ion-batteriet blir separert med en porøs polymer-separator. Katoden har et aktivt materiale på, som oksider av overgangsmetaller ofte brukes til, i hvilke litiumioner er innebygd. Anoden er vanligvis grafitt. En organisk løsning av litiumsalter brukes som elektrolytt.

Under den første ladningen på anlegget er litium innebygd i anoden og et lag med dekomponert elektrolyttformer på elektrodene, som nå fungerer som beskyttelse mot unødvendige reaksjoner, mens de forblir ioneledende.

Som nevnt over, er en intern kortslutning en av hovedårsakene til batteriets selvantennelse. Årsaken til selve kortslutningen kan være fysiske skader eller fabrikkdefekter, slik som ujevn kutting av elektrodene eller inntrengning av metallpartikler mellom katoden og anoden, som krenker separatorlagets integritet.

En annen årsak til stengingen er veksten av litiummetallkjeder gjennom separatoren (hvis litiumionene på fabrikken ikke hadde nok tid til å fullstendig integrere seg i anodekrystallen på grunn av for hurtig lading eller fra overkjøling, eller hvis kapasiteten til det katode aktive materialet er større enn kapasiteten til anoden, som fører til avsetninger på anoden, som så sakte men ubønnhørlig vokser).

Så hvis en kortslutning skjedde, begynner batteritemperaturen å stige, og når den når 70-90 ° C, begynner nedbrytningen av det beskyttende ioneledende laget av anoden. Litiumanoden reagerer med en elektrolytt, mens brennbare hydrokarboner som etylen, metan, etan, etc. frigjøres.Men det er for tidlig før brannen, fordi det ikke er nok oksygen.

I mellomtiden er den eksoterme reaksjonen på og temperaturen stiger, trykket inne i batterikassen stiger. Ved 180-200 ° C begynner disproporsjonasjonsreaksjonen ved katoden, hvor oksygen frigjøres. Antennelse oppstår, temperaturen stiger kraftig, og elektrolytten brytes ned termisk, temperaturen er allerede 200-300 ° C.

Til slutt er det graden av grafitt, og når temperaturen når 660 ° C, begynner aluminiumet til strømkollektoren å smelte. Maksimal temperatur i hele denne prosessen har vanligvis ikke tid til å overstige 900 ° C, siden alt raskt ender med fullstendig nedbrytning av batteriets indre komponenter.

Allerede er det suksess med å finne en løsning på problemet

For å løse problemet kan smarttelefonprodusenter stramme reguleringen, lage ekstra sikringer i enheter og i batterier, komplisere kontrollere, men dette vil øke kostnadene for batterier og alle produkter som følger med et batteri. Bedrifter konkurrerer med hverandre, og ganske enkelt økonomisk kan de ikke gjøre det.

I mellomtiden kjemper fysikere fra Stanford for sikkerheten til litiumbatterier, som sommeren 2015 utviklet en spesiell beskyttelsesmekanisme som er innebygd i batteriet allerede på produksjonsleddet.

Vi snakker faktisk om en ny type litiumbatterier, som automatisk slås av når innsiden deres når en potensielt farlig temperatur (som forhindrer prosessen som fører til påfølgende brann), og etter en stund, etter avkjøling, slår de seg på igjen automatisk.

Forfatterne av utviklingen hevder at dette er det første litiumbatteriet som gjentatte ganger kan slå av og gjenopprette uten å miste egenskaper og ytelse.

Utviklingen ble utført i flere år av et team av flere personer (inkludert Zhenan Bao), som et resultat var et batteri blottet for to viktigste ulemper - en kraftig reduksjon i batterikapasitet etter flere ladesykluser, og enda viktigere, en tendens til brann og eksplosjon på grunn av overoppheting ( kjedereaksjonen stopper automatisk).

Avgjørelsen kom til forskere fra et helt annet fysikkfelt. De laget termometre ved bruk av nikkelpartikler nikkel innebygd i et tynt ark grafen og plast. Dette var uvanlige termometre. I hvile var nikkelpartiklene i kontakt med hverandre, det vil si at man fikk en god strømleder. Men da arket ble oppvarmet, begynte plasten å ekspandere litt, noe som førte til en svekkelse av kontakten mellom de ledende nikkelpartiklene, og motstanden til hele lederen økte.

Denne egenskapen ble brukt av forskere fra Stanford for øyeblikkelig automatisk beskyttelse av litiumbatterier og for full automatisk restaurering av kontakt etter avkjøling. De limte et ark av slik plast på en av elektrodene til batteriet, slik at det ville miste ledningsevnen med økende temperatur. Og når temperaturen når 70 ° C

Men til tross for løsningen, tør produsentene av mobile enheter fremdeles ikke drastisk endre produksjonsteknologien til batteriene sine som er utviklet gjennom årene. Derfor må gadgetbrukere komme til å uttale seg om den potensielle faren for litiumbatterier i noen tid, og prøve å ikke slippe eller overopphete sine mobile enheter, og spesielt batterier. Kanskje i nær fremtid vil problemet bli fullstendig løst.

Se også: Riktig bruk av litium-ion-batterier

Comments

[#1 Ruslan]

"overdreven oppvarming av elektrolytten på grunn av overskridelse av den tillatte temperaturen" - tuftalogichny tuftalogika tuftalogii.