Почему у Samsung'а взрываются литиевые батареи, и как это может изменить электронную промышленность

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 LiCoO₂ (в новых батареях может использоваться фосфат лития-железа LiFePO₄), 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.

Теги