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…

Источники:

Теги: Добавить метки

Причины взрыва аккумулятора телефона и как его избежать

Аккумулятор в любом устройстве представляет собой банк электрической энергии, в котором идут определённые управляемые процессы. Если неправильно эксплуатировать аккумулятор, намеренно или случайно повредить его, то последствия могут быть очень неприятными. Стоит отметить, что в большинстве аккумуляторов используются вредные для здоровья человека вещества. При их разборке, разрушении, взрыве происходит выход наружу вредных элементов, жидкостей и газов. Что касается аккумуляторов современных телефонов, то они в подавляющем большинстве литиевые. Литий является крайне нестабильным материалов и может легко воспламеняться на воздухе. При определённых обстоятельствах может даже происходить взрыв аккумулятора телефона. Сегодня мы рассмотрим причины этого явления, и как этого избежать.

Одна из причин взрыва аккумулятора – это брак при производстве. От этого вас может спасти только щепетильный выбор продавца. Производственный брак обычно даёт о себе знать сразу после начала эксплуатации. Часто брак проявляется во вздутии аккумуляторной батареи. Эксплуатации такой АКБ следует прекратить пока не дошло до взрыва. Советуем прочитать о том, .

Крупные производители имеют на своих предприятиях строгую систему контроля качества, чтобы отсеивать бракованные батареи. Солидные продавцы аккумуляторов следят за продукцией на своих прилавках. Поэтому приобретать аккумуляторную батарею для телефона следует только в проверенных местах. При этом всегда осматривайте батарею. Если заказываете АКБ в онлайн-магазине обязательно прочитайте отзывы о нём.

При осмотре аккумулятора обращайте внимание на вмятины, сколы, вздутие, следы от падения и ударов. Также смотрите, чтобы не было других изменений формы. Но проблемы могут крыться внутри без видимых внешних изъянов. Падение телефона, без видимых последствий, может проявиться позднее.

Конечно, взрыв аккумулятора – это не частное явление. Но последствия от ударов и падений могут проявиться в снижении срока службы, в уменьшении ёмкости и т. п.

Итак, при покупке аккумулятора телефона обращайте внимание на наличие таких дефектов:

• Сколы;
• Вмятины;
• Вздутие;
• Прочие изменения формы.

Не факт, что такие изъяны станут причиной взрыва аккумулятора, но к чему лишние проблемы?

Если у вас в телефоне взорвался аккумулятор, то нужно постараться без паники потушить его как можно скорее. Затем осмотреть себя и окружающих на предмет травм. Если вы получили серьёзные повреждения, сразу вызывайте скорую для оказания медицинской помощи. В этот момент следует думать о своём здоровье и окружающих, а не о телефоне. В результате взрыва аккумуляторной батареи человек может получить очень серьёзные травмы.

Если аккумулятор в телефоне взорвался без последствий для вашего здоровья и окружающих, то это настоящее везение. Тогда сразу после тушения можно перейти к осмотру устройства. Вероятность того, что при взрыве аккумулятора не пострадал сам телефон, очень маленькая. Однако если хлопок был небольшой, то возможно, что корпус и плата не успеют оплавиться. Если так, то считайте, что вам повезло вдвойне. Если взрыв аккумуляторной батареи произошёл в новом телефоне при его правильной эксплуатации, то можете смело нести его в сервисный центр, поскольку это гарантийный случай.

В процессе эксплуатации к взрыву аккумулятора телефона могут привести следующие причины:

• зарядка АКБ в помещении с высокой температурой;
• использование батареи при высокой температуре ОС;
• зарядка и хранение аккумулятора под действием прямых солнечных лучей;
• попытки вскрытия АКБ телефона различными способами;
• неправильная эксплуатация, умышленная или случайная (поджиг, разогрев в микроволновке и т. п.);
• в некоторых случаях взрыв может вызвать неправильная зарядка аккумулятора без телефона.

Реальные случаи взрыва АКБ телефона у пользователей

Не будет вас слишком запугивать, поскольку взрыв аккумулятора телефона не слишком частое явление. В основном это происходит, когда пользователь намеренно пытается вызвать взрыв, в случае неквалифицированной разборки или некачественной батареи. Но такие случаи периодически встречаются и не являются чем-то из области фантастики.

Случаи взрывов АКБ телефонов стали регулярно происходит со второй половины нулевых годов. Как раз с того момента, когда они получили широкое распространение в мобильных гаджетах. С тех пор сообщения о взрывах батареек в телефонах, планшетах и ноутбуках регулярно появляются в различных СМИ. Вот некоторые из них.

В Китае в 2007 году сообщалось, что у рабочего одного из металлургических предприятий взорвался аккумулятор мобильного телефона прямо в кармане одежды.

Пару лет назад похожий случай произошёл в Казахстане. Там у девочки в кармане взорвалась АКБ смартфона Samsung Galaxy S2. После воспламенения и взрыва батареи на девочке загорелись джинсы. В результате ребёнок получил серьёзный ожог ноги.

В Финляндии местная жительница не пострадала при взрыве аккумулятора Nokia. Она уронила батарею, в результате чего та разрядилась и при последующем заряде не набирала ёмкость. После отключения от зарядного устройства АКБ резко нагрелась, распухла и взорвалась.

В той же Финляндии несколько лет назад у владельца телефона Samsung взорвался аккумулятор при падении аппарата на пол. Причём взрыв был настолько сильным, что в месте падения сильно обгорел пол.

Достаточно много случаев взрывов аккумуляторов Nokia, Samsung зафиксированы во Вьетнаме, Индии и других странах азиатского региона. Помимо этого ещё больше фиксируется случаев взрыва поддельных китайских АКБ. Но взрываются не только китайские и корейские аккумуляторы телефонов. Достаточно много примеров, когда взрывались батареи iPhone, iPad и другие продукты топ-класса.

Например, во Франции за последние годы было зафиксировано несколько десятков случае взрывов аккумуляторов iPhone. Несколько устройств взорвались прямо в руках их владельцев. Некоторые получили серьёзные травмы. Разлетающиеся осколки попали им в лицо. В Великобритании не так давно был зафиксирован взрыв аккумулятора Apple iPod Touch.

Конечно, по сравнению с количеством нормально эксплуатируемых аккумуляторов, число взрывов – это «капля в море». Поэтому не стоит паниковать. Но нужно понимать, почему это происходит. Всё объясняется материалами, используемыми в литиевых батареях, и процессами, происходящими в них.

АКБ для телефонов выпускаются всё в большем ассортименте, различных габаритов и форм. Производители стараются при высокой ёмкости максимально уменьшить размеры батарей, поскольку это позволяет сделать мобильные устройства более тонкими и изящными.

Но, от этого же и следуют проблемы. Из-за того, что основные компоненты аккумулятора (электроды) располагаются максимально близко друг к другу, при малейшем нарушении формы электрохимические процессы нарушаются. В результате может произойти возгорание и взрыв.

Как правило, возгорание и взрыв АКБ телефона происходит из-за короткого замыкания (КЗ). В конструкции батареи предусмотрен сепаратор, разделяющий положительный и отрицательный электроды. Если он повреждается (в результате удара, производственного брака, прокола, нагрева и т. п.), то происходит замыкание и следует сильный нагрев. Батареи литиевого типа очень энергоёмкие, а литий чрезвычайно активный металл. Так, что в результате прорыва сепаратора происходит мгновенный нагрев, возгорание и выброс энергии в результате взрыва.

В то же время эта чрезвычайная активность лития очень полезна при создании аккумуляторов высокой ёмкости (литий─ионных и литий─полимерных). Щелочные металлы первой группы таблицы Менделеева (натрий, калий), которым относится литий, имеют высокую реакционную способность. Эти металлы могут легко загораться на воздухе. Кроме того, взаимодействие некоторого количества этих металлов с водой может вызвать взрыв. Все эти факторы объясняют взрывы телефонных аккумуляторных батарей.

Внимание! Выше были приведены фотографии и видео взрывов аккумуляторов. Не пытайтесь воспроизвести то, что там было показано. Даже, если вы экспериментируете на старом аккумуляторе, подумайте, что воспламенение и взрыв вызовут повреждения окружающих предметов. А главное – вы можете нанести непоправимый вред своему здоровью.

В то время как литий-ионные батареи в целом невероятно безопасны, они очень редко загораются или взрываются. Когда это происходит, например, с Galaxy Note 7 от Samsung или недавним отзывом ноутбука HP, это всегда большие новости. Итак, что происходит и почему батареи иногда выходят из строя? Расскажем в этой статье.

Аккумуляторные литий-ионные батареи — это тип батареи, которая находится внутри Вашего ноутбука, телефона, планшета и почти любого другого современного гаджета, который у Вас есть, а также электрические автомобили и самолеты.

Что внутри литий-ионной батареи?

Чтобы понять, почему литий-ионные батареи иногда взрываются, Вам нужно знать, что происходит внутри. Внутри каждой литий-ионной батареи есть два электрода: положительно заряженный катод и отрицательно заряженный анод, разделенный тонким слоем микроперфорированного пластика, который удерживает два электрода от касания. Когда Вы заряжаете литий-ионную батарею, ионы лития выталкиваются электричеством из катода, через микроперфляции в сепараторе и электропроводящей жидкости, а также в анод. Когда батарея разряжается, происходит обратное с ионами лития, текущими от анода к катоду. Это реакция, которая питает Ваш ноутбук.

Маленькие батареи, такие как у смартфонов, обычно имеют только одну литий-ионную ячейку. Большие батареи, как и ноутбуках, обычно имеют от 6 до 12 литий-ионных элементов. Батареи в электрических машинах и самолетах могут иметь сотни ячеек.

Что делает литий-ионную батарею взрывоопасной?

То, что делает литий-ионные батареи полезными, также дает им способность загореться или взорваться. Литий действительно хорош в хранении энергии. Когда он выпущен как струйка, он весь день заряжает Ваш телефон. Когда он будет выпущен весь за один раз, батарея может взорваться.

Большинство литий-ионных батарейных пожаров и взрывов сводится к проблеме короткого замыкания. Это происходит, когда пластиковый сепаратор выходит из строя и позволяет касаться анода и катода. И как только эти двое соприкасаются, батарея начинает перегреваться.

Существует ряд причин, по которым разделитель может выйти из строя:

• Дефекты дизайна или изготовления: аккумулятор плохо разработан, как в случае с Galaxy Note 7. В этом случае недостаточно места для электродов и сепаратора в батарее. В некоторых моделях, когда батарея немного увеличилась при зарядке, электроды согнулись и вызвали короткое замыкание. Даже хорошо спроектированная батарея может выйти из строя, если контроль качества не будет достаточно тщательным или есть дефект в производстве.
• Внешние факторы: Экстремальное тепло почти гарантированно вызывает отказ. Известно, что батареи, находящиеся слишком близко к источнику тепла или попавшим под огонь, взрываются. Другой внешний фактор может привести к сбою литий-ионной батареи. Если Вы проткнете батарею (случайно или намеренно), то Вы почти наверняка вызовете короткое замыкание.
• Проблемы с зарядным устройством: плохо сделанное или плохо изолированное зарядное устройство также может повредить литий-ионный аккумулятор. Если зарядное устройство замыкает или генерирует тепло рядом с батареей, оно может нанести достаточный урон, чтобы вызвать сбой. Поэтому мы рекомендуем использовать только официальные зарядные устройства (или, по крайней мере, высококачественные сторонние устройства от уважаемых брендов). Литий-ионные аккумуляторы имеют встроенные средства защиты, чтобы остановить их перезарядку. Хотя очень редко, если эти меры предосторожности терпят неудачу, перезарядка приводит к перегреву батареи.
• Несколько ячеек: хотя они не имеют отношения к батареям с одной ячейкой, подобным тем, которые присутствуют на большинстве смартфонов (на самом деле у iPhone X есть две ячейки), только одна батарейная ячейка должна быть неисправна чтобы испортить всю батарею. Как только одна ячейка перегревается, Вы получаете эффект домино, называемый «Thermal Runaway». Для батарей с сотнями ячеек, подобных тем, что у Tesla Model S-thermawaway, потенциально может быть действительно большой проблемой.

Несмотря на то, что литий-ионные батареи иногда взрываются — это безопасная и зрелая технология. Тот факт, что это всегда новости, когда батарея взрывается неожиданно, показывает, насколько редко случаются эти большие неудачи. Производители аккумуляторов устанавливают множество мер предосторожности для предотвращения сбоев батарей или, по крайней мере, смягчают ущерб, который может вызвать сбой.

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.

Самовозгорание литиевого Li-ion аккумулятора

Вероятность взрыва литиевого аккумулятора при использовании правильной BMS (платы управления АКБ) штатного зарядного устройства, отсутствии давления на элементы саму аккумуляторную батарею, должной герметизации и изоляции, минимальна или отсутствует вовсе.

Ушли прошлое времена, когда аккумуляторы производились преимущественным содержанием кадмия и имели низкий уровень взрывобезопасности. Почему же, вопреки максимальной безопасности современных АКБ, иногда происходят взрывы Li-Ion аккумуляторов?

Такие батареи включают в себя анод и катод. Их разделяет пористый сепаратор из полимера. В аноде зачастую применяется графит, катоде в роли активного вещества выступают оксиды переходных металлов интегрированными ионами лития. Электрохимическая ячейка заполняется электролитом. При начальной зарядке, выполняемой производителем, на аноде формируется защитный слой. Он состоит из разложившегося электролита и оберегает электроды от контакта с электролитом. Наиболее распространенной причиной взрыва литиевого аккумулятора считается короткое замыкание в электрохимической ячейке.

Почему взрываются литий ионные аккумуляторы?

Вызвать электрическое взаимодействие катода с анодом способны разные факторы, к примеру:

1. Физическое повреждение ячейки.
2. Нарушение производственной технологии - попадание частиц металла между катодом и анодом, дефектная нарезка электродов (в результате повреждается пористый сепаратор).

1. «Прорастание » через сепаратор дендритов лития. Происходит из-за низких температур и чрезмерно быстрой зарядки - когда ионы лития не успевают занять свои места в кристалле анода. Также может происходить из-за существенной разницы между емкостями анода и активного вещества катода.

Короткое замыкание приводит к нагреву аккумулятора, разложению ион-проводящего слоя на аноде (при 70-90 °С), реакции лития с электролитом, выделению летучих углеводородов. При нагреве до 180-200 °С материал катода вступает в реакцию диспропорционирования, выделяется кислород и начинается самовозгорание со стремительным ростом температуры. Далее взаимодействовать с электролитом начинает графит, а при нагреве до 660 °C расплавляется алюминиевый токоприемник.

Другие причины взрыва литий ионного аккумулятора

Кроме короткого замыкания в электрохимической ячейке, к самовозгоранию и взрыву литиевой аккумуляторной батареи способны привести:

• перегрев АКБ;
• зарядка на повышенных токах;
• превышение предельного значения напряжения;
• чрезмерно глубокая разрядка.

Все эти факторы провоцируют тепловой разгон и разложение электролита в процессе его реакции с электродами. Большинство современных производителей максимально снизили их взрывоопасность, используя многоступенчатые системы защиты. В этих целях успешно применяются предохранители, контроллеры, клапаны, изоляционные материалы, балансиры заряда, сенсоры.

Чтобы оградить себя от неприятных сюрпризов, приобретайте АКБ надежных производителей и соблюдайте правила эксплуатации. Прежде всего:

• не допускайте тепловых и механических воздействий на батарею;
• не подвергайте ее деформации, прокалыванию и другим воздействиям;
• не разбирайте;
• не используйте вздувшийся или потекший аккумулятор, отсоедините его от источника потребления и будьте осторожны, чтобы не закоротить контакты АКБ;
• используйте только оригинальные зарядные устройства.

Подробнее о том, как правильно пользоваться Li-Ion аккумулятором, читайте .