Perché le batterie esplodono?

Gli utenti di smartphone e tablet sono ovviamente consapevoli del rischio di esplosione delle batterie al litio nei loro gadget. E esempi eclatanti non devono andare lontano. Recentemente, ad esempio, Samsung ha affrontato un doloroso problema di persona ed è stato costretto a ritirare la prima serie del nuovo Note 7, poiché le batterie sono esplose proprio durante il processo di ricarica. In un modo o nell'altro, il problema rimane lo stesso dall'inizio dell'avvento dei telefoni cellulari e l'ICAO ha persino vietato alle parti commerciali di trasportare merci in compartimenti civili nel 2016. batterie al litio.

L'essenza del problema con le batterie al litio

Il fatto è che nel processo di ricarica di una batteria al litio in un dispositivo mobile, utilizzando il microcontrollore incorporato nella batteria, viene implementato un algoritmo piuttosto complicato per implementare questo processo in modo che la temperatura della batteria non superi l'intervallo di temperatura accettabile. A tale scopo, il controller monitora molti parametri della batteria durante la sua carica.

Oltre al processo di ricarica stesso, la conservazione della batteria richiede anche il rispetto di alcune regole, in particolare per quanto riguarda la temperatura: non è possibile surriscaldare né surriscaldare la batteria.

Il problema principale che provoca l'esplosione delle batterie è eccessivo riscaldamento dell'elettrolito a causa del superamento della temperatura consentita o di un corto circuito all'interno della cella della batteria. La reazione a catena si avvia facilmente all'interno della cella surriscaldata, perché il litio di metallo alcalino si accende molto facilmente, a seguito del quale la batteria si gonfia e, nel peggiore dei casi, esplode.

E anche nonostante la presenza di un controller “attento”, può verificarsi un difetto di fabbrica accidentale (spessore insufficiente dell'isolante tra le celle) e portare a tristi conseguenze.

Certo, shock, guasti, forature, surriscaldamento al sole sono pericolosi. Anche se la batteria è caduta e ha colpito leggermente, all'interno potrebbe verificarsi un guasto dell'isolante e, in futuro, ciò potrebbe causare un improvviso problema, anche senza evidente surriscaldamento.

Motivo di esplosione per batterie al litio

L'anodo e il catodo della batteria agli ioni di litio sono separati da un separatore polimerico poroso. Il catodo ha un materiale attivo su di esso, per il quale vengono spesso utilizzati ossidi di metalli di transizione, in cui sono incorporati ioni di litio. L'anodo è di solito grafite. Una soluzione organica di sali di litio viene utilizzata come elettrolita.

Durante la prima carica nell'impianto, il litio viene incorporato nell'anodo e uno strato di elettroliti decomposti sugli elettrodi, che ora serve da protezione da reazioni non necessarie, pur rimanendo conduttore di ioni.

Come notato sopra, un corto circuito interno è una delle principali cause di autoaccensione della batteria. La causa del cortocircuito stesso può essere un danno fisico o difetti di fabbrica, come il taglio irregolare degli elettrodi o l'ingresso di particelle metalliche tra il catodo e l'anodo, che violano l'integrità dello strato di separazione.

Un altro motivo per la chiusura è la crescita delle catene di litio metallico attraverso il separatore (se gli ioni di litio in fabbrica non avevano abbastanza tempo per integrarsi completamente nel cristallo anodico a causa di carica eccessivamente veloce o da raffreddamento eccessivo, o se la capacità del materiale attivo del catodo è maggiore della capacità dell'anodo, che porta a depositi sull'anodo, che poi lentamente ma inesorabilmente cresce).

Quindi, se si verifica un cortocircuito, la temperatura della batteria inizia a salire e quando raggiunge i 70-90 ° C, inizia la decomposizione dello strato protettivo conduttore di ioni dell'anodo. L'anodo di litio reagisce con un elettrolita e vengono rilasciati idrocarburi infiammabili come etilene, metano, etano, ecc.Ma è troppo presto prima dell'incendio, perché non c'è abbastanza ossigeno.

Nel frattempo, la reazione esotermica è attiva e la temperatura aumenta, la pressione all'interno della custodia della batteria aumenta. A 180-200 ° C, la reazione di sproporzione inizia al catodo, dove viene rilasciato ossigeno. Si verifica l'accensione, la temperatura aumenta bruscamente e l'elettrolita si decompone termicamente, la temperatura è già di 200-300 ° C.

Infine, è il turno della grafite e quando la temperatura raggiunge i 660 ° C, l'alluminio dell'attuale collettore inizia a sciogliersi. La temperatura massima in questo intero processo di solito non ha il tempo di superare i 900 ° C, poiché tutto termina rapidamente con la completa decomposizione dei componenti interni della batteria.

C'è già successo nel trovare una soluzione al problema

Per risolvere il problema, i produttori di smartphone possono rafforzare la regolamentazione, creare ulteriori fusibili nei dispositivi e nelle batterie, complicare i controller, ma ciò aumenterà il costo delle batterie e di tutti i prodotti forniti con una batteria. Le aziende sono in competizione tra loro e semplicemente non possono farlo economicamente.

Nel frattempo, i fisici di Stanford stanno combattendo per la sicurezza delle batterie al litio, che nell'estate del 2015 hanno sviluppato uno speciale meccanismo di protezione integrato nella batteria già nella fase di produzione.

In effetti, stiamo parlando di un nuovo tipo di batterie al litio, che si spengono automaticamente quando il loro interno raggiunge una temperatura potenzialmente pericolosa (che impedisce al processo che porta al successivo incendio), e dopo un po ', dopo il raffreddamento, si riaccendono automaticamente.

Gli autori dello sviluppo sostengono che questa è la prima batteria al litio che può essere ripetutamente spenta e ripristinata senza perdere le sue proprietà e prestazioni.

Lo sviluppo è stato condotto per diversi anni da un team di diverse persone (tra cui Zhenan Bao), di conseguenza una batteria era priva di due inconvenienti principali: una forte riduzione della capacità della batteria dopo diversi cicli di ricarica e, soprattutto, una tendenza al fuoco e all'esplosione dovuta al surriscaldamento ( la reazione a catena si interrompe automaticamente).

La decisione è arrivata agli scienziati di un campo della fisica completamente diverso. Hanno prodotto termometri usando nanoparticelle di nichel incorporate in un sottile foglio di grafene e plastica. Erano insoliti termometri. A riposo, le particelle di nichel erano in contatto tra loro, cioè si otteneva un buon conduttore di corrente. Ma quando il foglio è stato riscaldato, la plastica ha iniziato ad espandersi leggermente, il che ha portato a un indebolimento del contatto tra le particelle conduttive di nichel e la resistenza dell'intero conduttore è aumentata.

Questa proprietà è stata utilizzata dai ricercatori di Stanford per la protezione automatica istantanea delle batterie al litio e per il ripristino automatico completo del contatto dopo il raffreddamento. Hanno incollato un foglio di tale plastica su uno degli elettrodi della batteria in modo da perdere conduttività all'aumentare della temperatura. E quando la temperatura raggiunge i 70 ° C

Ma nonostante la soluzione, i produttori di dispositivi mobili non osano ancora cambiare drasticamente la tecnologia di produzione delle loro batterie che è stata sviluppata nel corso degli anni. Pertanto, gli utenti di gadget dovranno fare i conti con il potenziale pericolo delle batterie al litio per qualche tempo e cercare di non far cadere o surriscaldare i loro dispositivi mobili, e in particolare le batterie. Forse nel prossimo futuro il problema sarà completamente risolto.

Vedi anche: Uso corretto delle batterie agli ioni di litio

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[#1 Ruslan]

"riscaldamento eccessivo dell'elettrolito a causa del superamento della temperatura ammissibile" - tuftalogichny tuftalogika tuftalogii.