Почему взрываются аккумуляторы

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 литиевых аккумуляторов.

Суть проблемы с литиевыми аккумуляторами

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.

Причина взрывоопасности литиевых аккумуляторов

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.

Авторы разработки утверждают, что это первая литиевая батарея, которая сможет многократно отключаться и восстанавливаться без потери своих свойств и рабочих характеристик.

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.

Источник

Причины возгораний Li-ion аккумуляторов, как и чем их тушить

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 как бытовых приборах, так и в технике: от смартфонов до электромобилей.

Сотовый телефон. Почему они загораются и взрываются?

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 может случиться в квартире – это пожар. А значит, каждый обязан быть в курсе того, что делать, если причиной возгорания стал литий-ионный аккумулятор.

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

Причины взрыва

Для того чтобы понять отчего происходит самовозгорание литий-ионных аккумуляторов, стоит вспомнить школьный курс физики и химии. Причина кроется в коротком замыкании между катодом и анодом, при котором повышается сила тока, явление разогревает элемент питания. Когда температура нагрева находится в пределах 70-90° С расплавленный литий вступает в реакцию с электролитом.

Выделяются взрывоопасные вещества, но без кислорода взрыва не возникает. Верным решением в описанной ситуации станет-разлом корпуса. Так или иначе, возгорание все равно случится, но в данном случае это будет именно горение, а не взрыв. Предположим, что аккумулятор крепкий. В скором времени температура повысится до 200 °С, а материал катода начнет разлагаться с выделением кислорода. Ускорит процесс термическое разложение электролита.

Теперь самое время вспомнить, что присутствие углеводородов, окислителя в виде кислорода и высокая температурная отметка – идеальное сочетание для взрыва.

В дальнейшем стоит ожидать, что взрывной волной будет сорвана крышка батарейного отсека либо пострадает девайс целиком. Второй вариант несет в себя серьезную опасность для пользователя устройства. Не исключено что, нагрев аккумулятора достигнет температуры 660-900 °С. Явление станет свидетельством реакции электролита и графита, расплавится алюминиевый токоприёмник.

Короткое замыкание, как правило, становится следствием физического воздействия на батарею. Если при ударе анод и катод соприкоснутся, подобный исход запустит необратимую реакцию.

Еще одной причиной самовозгорания может стать банальный перегрев, вызванный эксплуатацией неподходящего зарядного устройства или длительного пребывания электроприбора под солнцем. Из-за воздействия высокой температуры АКБ распирает, скорость химических реакций значительно возрастает.

Старение аккумулятора тоже увеличивает риск возгорания смартфона, планшета и гироскутера.

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. Он 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.

Почему взрываются

Как тушить

Как бы мы не старались избежать неприятных ситуаций связанных с возгоранием АКБ, от приобретения некачественной продукции никто не застрахован. Столкнувшись с проблемой возгорания аккумулятора, принадлежащего смартфону, планшету или гироскутеру необходимо четко следовать правилам ликвидации горения:

1. Оказавшись в неприятной ситуации – самое главное сохранять спокойствие.
2. Если электроприбор задымил, находясь на зарядке – обесточьте его. Для этого нужно ограничить питание при помощи автомата на щитке или вытащить вилку из розетки. Ни в коем случае не касайтесь горящего устройства!
3. Остановите поступление кислорода, он поддерживает горение. Накройте устройство кастрюлей или плотным одеялом.

Что делать, если загорелась аккумуляторная батарея мобильного устройства (гаджета)

Внимание. Если химическая реакция в аккумуляторе запущена, остановить ее вряд ли удастся. Либо она прекратится без всякого вмешательства, либо прибор взорвется. Как бы там ни было, стоит позаботиться о том, чтобы последствия были минимальными:

1. Если обстоятельства позволяют, выбросьте прибор или батарею, туда, где горение и взрыв не навредит.
2. Если времени для раздумья нет – накройте устройство чем-то, что плохо горит и сможет сдержать осколки при взрыве.

Важно. Для тушения чистого лития нельзя использовать воду, соединяясь с ней вещество образует взрывоопасную смесь.

К счастью в современных АКБ в чистом виде металлический литий не применяется, поэтому тушение водой им не повредит. Если же инцидент коснулся не перезаряжаемой литиевой батарейки, тут уж нужно поберечься.

Если устройство было подключено к сети, в первую очередь нужно выдернуть шнур из розетки. Горение аккумулятора от этого не прекратится, но так вы обезопасите себя и свою квартиру от больших повреждений. Постарайтесь отнести устройство в огнеупорное место, например, в ванну или кухонную раковину. 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.

Воспламенение аккумулятора

Источник

На Токе заряженный портал

Почему взрываются литий-ионные аккумуляторы? — На токе

• Статьи об электротранспорте
• Технологии
• Аккумуляторы
• Почему взрываются литий-ионные аккумуляторы?

Почему взрываются литий-ионные аккумуляторы?

Представьте себе ситуацию: едите вы спокойно на своём электрифицированном вело, самокате или гироскутере, и тут, бабах — рвануло ваше драгоценное. литий-ионное аккумуляторное устройство! А может быть подобная «катастрофа» произошла при зарядке электронакопителя? В любом случае, такое обстоятельство может обескуражить кого угодно! Почему такое возможно? Вот как раз об это мы и поговорим в теме.

Содержание:

• Почему взрываются литий-ионные батареи?
• Как происходит самовозгорание аккумуляторной батареи?
• Что делают производители, чтобы защитить свою продукцию от самовозгорания?
• Что нужно делать, чтобы избежать самовоспламенения аккумуляторной батареи?

Почему взрываются литий-ионные батареи?

Если вашу литий-ионную аккумуляторную батарею обслуживает качественная плата управления батареей (BMS) штатной зарядки, если нет давления на элементы и саму АКБ, если имеет место надлежащая изоляция и герметизация, то вероятность того, что электронакопитель преподнесёт вам далеко не праздничный фейерверк, реально минимальна либо вовсе сведена к нулю.

Канули в лету те времена, когда батареи изготавливались с преимущественным содержанием кадмия и не могли похвастать высоким уровнем безопасности. В связи с этим возникает вполне резонный вопрос: почему при максимальной безопасности современных аккумуляторов, время от времени можно услышать от кого-то страшилки, о взорвавшихся чуть ли не в их собственных руках литий-ионных батареях?

В составе подобных изделий присутствуют анод и катод, а разделяет их пористый полимерный сепаратор. Что касается материалов, то в аноде часто используют графит, а в катоде, роль активного вещества играют оксиды переходных металлов с интегрированными в структуру кристалла ионами лития. Что касается электрохимической ячейки, то она заполнена электролитом. При стартовой зарядке, которую организовывает изготовитель, на аноде сформировывается защитный слой. Этим слоем выступает разложившийся электролит, оберегающий электроды от «встречи» с электролитом не разложившимся.

Итак, причины взрывоопасности литий-ионной батареи

1. Механическое повреждение ячейки. К примеру, вы могли уронить аккумулятор либо же удар по нём был нанесён каким-либо другим образом. В результате образуются повреждения внутренней структуры аккумулятора.

2. Заводской брак. Даже когда предприятия оснащены передовыми технологиями производства, никто из пользователей не защищён на 100% от того, что в его распоряжение может попасть откровенно бракованное изделие. Вот такой случай например: имеет место недостаточно ровная нарезка электродов либо же попал металл между анодом и катодом, что повлекло за собой повреждение пористого сепаратора.

3. Ситуация, когда дендриты лития «прорастают» через сепаратор. Такое недоразумение происходит если эксплуатировать накопитель при низких температурах, а также, когда пользователь подвергает АКБ чрезмерно быстрой зарядке и разрядке. Ионы лития элементарно не будут успевать внедряться в кристалл анода. По итогу, на аноде стартует образование кристаллов, влекущее за собой повреждение сепаратора.

Самой популярной причиной взрыва Li-ion накопителя, является короткое замыкание в электрохимической ячейке.

Как происходит самовозгорание аккумуляторной батареи?

Итак, КЗ в состоялось и дальше это даёт отмашку процессу нагрева батареи. Кода температура дойдёт до показателя 70-90 градусов, ионопроводящий защитный барьер на аноде начнёт разрушаться. Далее, литий интегрированный в анод, запустит реакцию с электролитом, а итогом этого мероприятия становится образование летучих газов: этилена, метана и т. п. Чувствуете чем пахнет? Совершенно верно — перед нами практически готовая взрывная смесь, только вот нет ещё главной составляющей для качественного возгорания — кислорода.

Весь этот гремучий состав, пребывая в закрытом герметичном корпусе, начинает интенсивно бурлить, а поскольку реакции экзотермические, то неизбежно будет возрастать температура и давление. Когда дойдёт до 180-200 градусов, материал катода начнёт принимать участие в реакции, что и приведёт к образованию того самого, нужного нам для удачного взрыва ингредиента — кислорода. Вот именно в этот момент и происходит возгорание со скачкообразным увеличением температуры. Параллельно, продолжает разлагаться электролит (300 градусов) и этот процесс, тоже выделяет тепло.

На заключительном этапе данного «злодейства», с остатками электролита вступает в реакцию и графит, что приводит к ещё большему повышению температуры — это приблизительно 600 градусов. Такой накал влечёт за собой расплавление токоприёмника изготовленного из алюминия.

Наиболее опасным веществом в составе литий-ионных батарей является электролит, который разлагается на эти самые, превосходно воспламеняющиеся газы. На данный момент очень много учёных работают в этом направлении, но пока достойной альтернативы взрывоопасному электролиту не найдено.

Другие причины взрыва литий-ионной батареи

Конечно, короткое замыкание в электрохимической ячейке, является самой частой причиной самовоспламенения электронакопителя, но в то же время, есть и ряд других обстоятельств, которые также могут привести к печальным последствиям:

• перегрев аккумулятора (не учитывая причины описанные выше);
• подзарядка АКБ высокими токами;
• превышение предельно допустимого напряжения;
• очень глубокий разряд.

Что делают производители, чтобы защитить свою продукцию от самовозгорания?

Вполне логично, что разработчики в курсе дела, в отношении взрывоопасности литий-ионных электроаккумуляторов, поэтому и предусмотрели сразу несколько степеней защиты от подобных неприятностей. Чем мощнее АКБ, тем больше её защищают.

Взять к примеру сепаратор, он при точечном повышении температуры становится непроницаемым, не давая таким образом развиваться дендритам в этом участке аккумулятора. Однако если процесс движется вперёд неудержимо, то сепаратор может просто-напросто расплавиться. Есть ещё встроенные в батарею клапана и предохранители. Клапан предназначен для того, чтобы выпускать скопившиеся внутри аккумулятора газы, а вот предохранители отвечают за то, чтобы в случае чего, отключить электроды от сети. В составе Li-ion АКБ также присутствуют контроллеры, балансиры заряда, сенсоры и т. д.

Что нужно делать, чтобы избежать самовоспламенения аккумуляторной батареи?

1. Приобретайте продукцию известных и положительно зарекомендовавших себя брендов — это прежде всего, так как если попадётся дефективное дешёвое изделие, то потом вы ничего уже сделать не сможете — считайте, что сидите на «пороховой бочке».

2. Не подвергайте батарею тепловым и механическим воздействиям, не прокалывайте и не деформируйте её.

3. Не нужно разбирать электронакопитель, если не знаете как правильно это делать и особенно, если это делать вообще незачем.

4. Потёкший либо вздувшийся аккумулятор эксплуатировать нельзя: отсоедините его от потребителя соблюдая при этом осторожность, чтобы избежать короткого замыкания на контактах батареи.

5. Для зарядки Li-ion АКБ, применяйте только оригинальные зарядные приспособления.

Заключение

Итак, что мы имеем: оказывается литий-ионные аккумуляторные батареи действительно могут взрываться как бомбочки, но просто так, этого произойти не может — здесь нужны определённые условия. По этой причине, нужно приобретать исключительно качественные изделия, оснащённые всем необходимым, чтобы не допустить самовозгорания АКБ. Кроме того, литий-ионная батарея требует правильной эксплуатации и бережного отношения к себе. Придерживайтесь всего перечисленного и неприятных сюрпризов от высокоэффективного литий-ионного аккумулятора вы не дождётесь!

Источник