Может ли взорваться аккумулятор для ноутбука

В последнее время появилось что-то уж слишком много новостей об отзыве аккумуляторов по причине вероятного взрыва. Ещё несколько лет назад начали появляться сообщения о сотовых телефонах, взрывающихся в карманах брюк, или о том, как телефон, оставленный на приборной панели машины, стал причиной пожара. Технический прогресс не стоит на месте, MP3-плееры сегодня получили немалую вычислительную мощность, сотовые телефоны скоро могут присоединиться к программе распределённых вычислений SETI, а ноутбуки стали настолько мощными, что вполне могут претендовать на звание вычислительного помощника.

За всем этим лежит труд инженеров и учёных. Но почему один из компонентов по-прежнему может взорваться без всякого предупреждения? Почему нельзя создать безопасный аккумулятор? Как можно снизить вероятность взрыва? Давайте разберёмся. И начнём с поиска в Google (рис 1).

73 тысячи страниц — довольно много. Если походить по ссылкам, то можно найти, например, аккумулятор ноутбука, взорвавшийся в самолёте. И много всего любопытного. Если вам интересно, как работают аккумуляторы и какие меры безопасности нужно предпринимать, читайте дальше.

Сравниваем с водонапорной башней

Для понимания законов электричества часто используют аналогию с водой. Здесь мы поступим так же и представим аккумулятор в виде водонапорной башни.

Начнём с простого: если открыть кран, вода начнёт вытекать из резервуара. Насосная станция закачивает воду и восполняет её потерю. У каждой водонапорной башни могут быть различные объём и высота, а каждый аккумулятор имеет свои размеры и ёмкость. Аналогия простая: напряжение соответствует давлению, ёмкость аккумулятора — объёму резервуара, а ток — скорости потока. Насос же можно представить как блок питания.

Разные типы аккумуляторов это как разные конструкции водонапорных башен: толщина стенки, материалы, форма, пределы давления и т.д. Кроме того, из соображений безопасности учтите, что если вы будете добавлять или сливать воду быстрее, чем позволяет конструкция резервуара, то башня может дать трещину или выйти из строя! То же самое касается и аккумуляторов. Аккумуляторы высокой ёмкости, подобно литиево-ионным, позволяют хранить больше «воды в одном объёме».

На аккумуляторе ноутбука обычно приведены спецификации, подобные тем, что представлены на следующей иллюстрации.

Данный аккумулятор отличается от других относительно низким напряжением и высокой ёмкостью. Если же взять аналогию с водонапорной башней, то высота у неё небольшая, но резервуар огромный. Он способен вмещать большое количество воды, но не даёт высокого давления. Подобный аккумулятор предназначен для компьютера, которому для работы требуется относительно низкое напряжение, но зато он может работать довольно долгое время без подзарядки. Собственно, так можно описать компактные модели линейки Sony TX.

Сегодня чаще всего используются никель-металлогидридные (Nickel Metal Hydride, NiMH) и литиево-ионные (Lithium-ion, Li-ion) аккумуляторы. Оба типа пришли на замену предыдущей технологии никель-кадмиевых аккумуляторов (Nickel-Cadmium, NiCad) по причине более высокой ёмкости и отсутствию эффекта памяти.

300 циклов

Литиево-ионные аккумуляторы очень капризные. Как можно видеть по таблице выше, испортить такой аккумулятор очень просто. Они не любят чрезмерный нагрев или чрезмерное охлаждение. Их нельзя глубоко разряжать, быстро заряжать или быстро разряжать. Если аккумулятор будет сильно разряжён, он выйдет из строя. Аккумуляторы NiMH, с другой стороны, относительно безопасны и не токсичны. Их тоже не стоит нагревать, а если оставить такой аккумулятор на полке, то за несколько месяцев он может разрядиться. После чего для получения прежней ёмкости нужно будет провести несколько циклов зарядки-разрядки.

В принципе, если перейти к проблемам, связанным с неправильным обращением, то взрываются батареи всё же редко. Действительно, несмотря на публикации в прессе и в Интернете, сегодня проданы миллионы аккумуляторов, где-то сотня из них загорелась, а из них лишь небольшая доля взорвалась. Так что шансы на подобное событие не выше, чем, если вас ударит метеорит. Но если вы будете неправильно обращаться с литиево-ионным аккумулятором, то потеряете ёмкость. Поэтому надо всё же придерживаться простых правил.

Способ снижения времени жизни аккумулятора № 1: нагрев

Почти в каждом современном ноутбуке есть не меньше одного вентилятора, выбрасывающего горячий воздух назад или в стороны. К сожалению, при этом почти всегда тепло передаётся и аккумуляторам. Если вы будете нагревать литиево-ионный аккумулятор, то время жизни существенно снижается. Если хранить литиево-ионную батарею при 40% заряде в холодильнике, то её может хватить на 10 лет. Но если она будет постоянно нагреваться в ноутбуке, подключённом к розетке, то хватит её на 12-18 месяцев. Если вы недоумевали, почему время автономной работы ноутбука снижается уже через год, то вот и ответ: это из-за нагрева! Да, батарея в ноутбуке позволяет защититься, если вдруг выключат свет. Но за это приходится платить временем жизни аккумулятора. Поэтому вопросу охлаждения ноутбука следует уделять пристальное внимание. А если ноутбук используется рядом с розеткой, то почему бы не хранить аккумулятор заряжённым в холодильнике?

Способ снижения времени жизни аккумулятора № 2: быстрая зарядка

Независимо от типа аккумулятора, производители многих ноутбуков пытаются быстро зарядить аккумулятор. При быстром заряде выделяется много тепла, что приводит к уничтожению химического состава внутри аккумулятора, превращающегося в газ. Если вспомнить аналогию с водой, то быстрый заряд аккумулятора аналогичен закачке воды с высокой скоростью потока под большим давлением. В результате аккумулятор изнашивается намного быстрее. Если в обычных условиях NiMH-аккумулятора хватает на несколько сотен циклов, то быстрая зарядка способна существенно сократить этот показатель. Кроме того, любой дефект аккумулятора проявит себя намного сильнее при быстрой зарядке. Слишком плохо, что производители ноутбуков не позволяют регулировать скорость зарядки в зависимости от условий.

Какой аккумулятор покупать?

Рано или поздно встанет вопрос замены аккумулятора. Часто к этому моменту появляются более ёмкие модели. Правило сравнения двух аккумуляторов при покупке очень простое:

Умножьте ёмкость в мА-ч (mAh) на напряжение (V) и поделите на 1000, после чего вы получите ватт-часы.

Возьмём пример:
считаем значения мА-ч и напряжения с аккумулятора. Затем перемножим их и разделим на 1000. Если приведено значение в Ah (ампер-часах), то оно уже поделено на 1000. Для аккумулятора на 10,8 В и 4400 мА-ч мы получим 10,8 x 4400 / 1000 = 47,52 или примерно 48 Вт-ч. В итоге перед нами есть единый критерий ёмкости, который позволяет сравнивать два аккумулятора. Например, если у текущего аккумулятора ёмкость 48 Вт-ч, то модель на 95 Вт-ч, спецификации которой приведены ниже, позволит проработать ноутбуку в два раза дольше.

Часто различия в ёмкости обусловлены разным количеством элементов в аккумуляторе (cell). Чем больше элементов, тем больше по размеру аккумулятор. На иллюстрации ниже можно видеть, как меняются габариты ноутбука, если установить в него аккумулятор с 12 элементами.

Забавно: вскрываем батареи ноутбука

Теперь, после небольшого теоретического введения, позвольте взять в руки отвёртку и заглянуть внутрь аккумулятора ноутбука. Очень полезно изучать что-то не только в теории, но и на практике. Производители предупреждают, что аккумулятор разбирать нельзя. Что ж, позвольте нарушить это ограничение.

Большинство производителей ноутбуков так разрабатывают свои аккумуляторы, чтобы следы вскрытия были заметны. Мы не рекомендуем вскрывать аккумуляторы по двум причинам. Во-первых, если вы случайно закоротите отвёрткой контакты элемента, то ничего хорошего из этого не выйдет. Взрыв литиево-ионного элемента отличается выделением большого количества тепла и ядовитых химических веществ. Во-вторых, собрать аккумулятор очень сложно. Но для вскрытия аккумулятора есть причины. Во-первых, если срок жизни аккумулятора подошёл к концу и вы хотите заменить элементы самостоятельно. В-вторых, если вы хотите модифицировать аккумулятор так, чтобы увеличить его ёмкость. В любом случае, следует знать, что делать. За ваши неумелые действия несёте ответственность только вы сами.

Внутри никель-металлогидридного аккумулятора

Перед нами никель-металлогидридный аккумулятор Toshiba на 9,6 В и 3000 мА-ч. Конечно, подобные аккумуляторы устарели, но данный пример позволяет наглядно сравнить Ni-MH-аккумулятор с литиево-ионной батареей Dell. Сверху аккумулятор кажется цельным, но на нижней стороне заметны крошечные отверстия.

Снизу находятся пять очень маленьких отверстий.

Но лезвие отвёртки в них проходит.

Отвёртка, как видим, не идеальный инструмент для вскрытия аккумулятора, поскольку следы сего действа будут отчётливо заметны. Теперь можно снять стенку, за которой видны отдельные элементы.

Toshiba хорошо поработала над дизайном аккумулятора. Практически каждый кубический сантиметр внутри напичкан NiMH-элементами.

Как видим, четыре контакта аккумулятора справа напрямую подключены к элементам. Технология NiMH относительно безопасная, поэтому можно обойтись без защитных схем внутри. Вощёная бумага предотвращает случайное замыкание контактов. Давайте её удалим.

Четыре NiMH-элемента заключены в красную виниловую изоляцию. В аккумуляторе используются два набора по четыре NiMH-элемента. Что интересно, Toshiba здесь использовала элементы собственного формата в виде небольших кирпичиков. Обычно элементы бывают цилиндрической формы, подобно батарейкам AA, C и D. В данном случае Toshiba решила максимально заполнить пространство внутри аккумулятора. Поскольку весь аккумулятор имеет характеристики 9,6 В и 3000 мА-ч, то два набора дают 4,8 В и 3000 мА-ч каждый. Элементы в наборе имеют следующие характеристики: 1,2 В и 3000 мА-ч. Аккумулятор взят из очень старого ноутбука.

Каждый из этих Ni-MH-элементов формата AA имеет напряжение 1,2 В на 2700 мА-ч, но по размеру примерно в два раза меньше старых «кирпичиков». В теории, если заполнить аккумулятор новыми элементами, то мы получим характеристики 9,6 В на 5400 мА-ч или примерно в два раза большее время жизни. И аккумулятор останется совместимым с оригиналом. Действительно ли можно модифицировать аккумулятор Toshiba, чтобы удвоить время автономной работы на основе аккумуляторов AA? Подойдут ли они? Посмотрите на следующую иллюстрацию. Но эта тема уже другой статьи.

Внутри литиево-ионного аккумулятора

Давайте возьмём более современный литиево-ионный аккумулятор от Dell. Он, к сожалению, уже нерабочий. Характеристики составляют 14,8 В и 3600 мА-ч.

Стыки на аккумуляторе Dell хорошо видны, но они узкие и скреплены очень прочно. Чтобы вы представили себе наглядно, ниже приведён кончик лезвия отвёртки.

Но внимательно посмотрев, я обнаружил около контактов более широкий зазор, в который лезвие отвёртки заходило нормально.

Внутри аккумулятора заметна другая интересная торговая марка.

Да, завод Sony Energytec изготавливал некоторое время аккумуляторы для Dell. Внутри расположена плата управления аккумулятором, дополненная пятью светодиодами. Довольно сложная начинка по сравнению с аккумулятором Toshiba. Если вы помните, то контакты Ni-MH-аккумулятора были напрямую припаяны к элементам. К чему же здесь такая сложность? Напомним, что литиево-ионные аккумуляторы очень капризные. И чтобы не случилось ничего плохого, в них используется специальная схема управления и защиты.

Внутри находятся два набора по четыре зелёных элемента. Они напоминают батарейки AA, но и только. В принципе, конструкция схожая, но здесь используется иной химический состав.

Присмотримся поближе. Перед нами элементы Sony Energytec 18650GR. Они распространены во многих аккумуляторах и имеют характеристики 1800 мА-ч и 3,7 В. Отсюда и вся батарея даёт 3600 мА-ч на 14,8 В. Как можно видеть на иллюстрации, элементы запаяны в параллельные пары, подключённые последовательно.

Каждая пара даёт 3600 мА-ч на 3,7 В, а при последовательном соединении мы получаем 14,8 В на 3600 мА-ч.

В целом, аккумуляторы состоят из мелких элементов по следующим причинам. Во-первых, это упрощает схему зарядки. Во-вторых, можно заряжать несколько разных наборов с меньшим напряжением, чем у аккумулятора в целом. В-третьих, если один из наборов выйдет из строя, схема может их определить и выключить, либо объявить весь аккумулятор нерабочим. Некоторые современные схемы защиты могут определять неминуемый взрыв и открывают вентиляционное отверстие, чтобы через него вышел горячий газ, и таким образом предотвращают взрыв. Конечно, поток горячего газа — не лучшее событие для ваших колен, но что уж поделать.

Почему они взрываются?

Взрыв происходит из-за короткого замыкания внутри элемента аккумулятора. Sony признала наличие металлических примесей внутри химикатов литиево-ионных элементов. Если металлические загрязнения (например, произвольно расположенные частицы металла) попадут внутрь элемента, скорее всего, ничего не случится. Но существует очень и очень малый шанс (при движении аккумулятора или ноутбука), что эти частицы расположатся так, что вызовут короткое замыкание элемента. На самом деле вероятность такого исхода — несколько аккумуляторов на миллион. То есть она близка к нулю. Но случаи такие есть, и некоторые элементы действительно оказались накоротко замкнутыми.

Если вы соедините положительный и отрицательный полюсы литиево-ионного аккумулятора, не имеющего защиты, то лучше в это время находиться от него подальше. К счастью, обычно встроенные схемы защиты не позволяют замкнуть накоротко аккумулятор. В случае же элементов Sony, напомним, что замыкание происходит внутри такого элемента, где защитной схемы нет. Отсюда и взрыв.

Аккумуляторы сегодня и завтра

Основные производители аккумуляторов находятся в Японии, и солидную долю на рынке занимает Sony Energytec. Причина этого понятна: Sony находится на передовой технологий аккумуляторов. Как мы видели, Sony продумала схему защиты аккумуляторов, но на 100% дать гарантию нельзя. До недавних пор большинство взрывов связывали с безымянными китайскими производителями, сэкономившими на схемах защиты. Но теперь мы знаем, что даже у фирменных аккумуляторов могут возникнуть проблемы.

Что готовит нам будущее? Очень много надежд сегодня связано с топливными элементами. Эта технология позволяет использовать энергоёмкую жидкость или гель, аналогично тому, как вы заливаете бензин в машину. Спирты и другие углеводороды отличаются довольно высокой ёмкостью энергии, что приводит к тем же опасностям, что и у традиционных ёмких аккумуляторов. Всё-таки не слишком хорошо заливать воспламеняющуюся жидкость в мобильный гаджет. Посмотрим, как будут развиваться события.

Источник