Чому вибухають літій-іонні акумулятори?

Давайте розберемося, чому вибухають літій-іонні акумулятори

Уявіть собі ситуацію: їсте ви спокійно на своєму електрифікованому вело, самокаті чи гіроскутері, і тут, бабах — рвонув ваш дорогоцінний… літій-іонний акумуляторний пристрій! А може, подібна «катастрофа» сталася при зарядці електронакопичувача? У будь-якому випадку, така обставина може збентежити будь-кого! Чому таке можливе? Ось якраз про це ми й поговоримо у темі.

Зміст:

Чому вибухають літій-іонні батареї?
Як відбувається самозаймання акумуляторної батареї?
Що роблять виробники, щоб захистити свою продукцію від самозаймання?
Що потрібно робити, щоб уникнути самозаймання акумуляторної батареї?

Чому вибухають літій-іонні батареї?

Якщо вашу літій-іонну акумуляторну батарею обслуговує якісна плата управління батареєю (BMS) штатної зарядки, якщо немає тиску на елементи і саму АКБ, якщо має місце належна ізоляція і герметизація, то ймовірність того, що електронакопичувач піднесе вам далеко не святковий феєрверк, реально або зовсім зведена нанівець.

Канули в лету ті часи, коли батареї виготовлялися з переважним вмістом кадмію і не могли похвалитися високим рівнем безпеки. У зв’язку з цим виникає цілком резонне питання: чому при максимальній безпеці сучасних акумуляторів, час від часу можна почути від когось страшилки, про літій-іонні батареї, що вибухнули мало не в їхніх руках?

У складі подібних виробів є анод і катод, а розділяє їх пористий полімерний сепаратор. Що стосується матеріалів, то в аноді часто використовують графіт, а в катоді роль активної речовини грають оксиди перехідних металів з інтегрованими в структуру кристала іонами літію. Що стосується електрохімічного осередку, то вона заповнена електролітом. При стартовій зарядці, яку організовує виробник, на аноді формується захисний шар. Цим шаром виступає електроліт, що розклався, оберігає електроди від «зустрічі» з електролітом не розклавши.

Отже, причини вибухонебезпечності літій-іонної батареї

1. Механічне пошкодження осередку. Наприклад, ви могли впустити акумулятор або удар по ньому був нанесений іншим чином. Внаслідок цього утворюються пошкодження внутрішньої структури акумулятора.
2. Заводський шлюб. Навіть коли підприємства оснащені передовими технологіями виробництва, ніхто з користувачів не захищений на 100% від того, що його розпорядження може потрапити відверто бракований виріб. Ось такий випадок наприклад: має недостатньо рівна нарізка електродів або потрапив метал між анодом і катодом, що спричинило ушкодження пористого сепаратора.
3. Ситуація, коли дендрити літію «проростають» через сепаратор. Таке непорозуміння відбувається якщо експлуатувати накопичувач при низьких температурах, а також коли користувач піддає АКБ надмірно швидкої зарядки і розрядження. Іони літію просто не встигатимуть впроваджуватися в кристал анода. За підсумками, на аноді стартує утворення кристалів, що тягне ушкодження сепаратора.

Найпопулярнішою причиною вибуху Li-ion накопичувача є коротке замикання в електрохімічному осередку.

Як відбувається самозаймання акумуляторної батареї?

Отже, КЗ відбулося і далі це дає відмашку процесу нагрівання батареї. Кода температура дійде до показника 70-90 градусів, іонопровідний захисний бар’єр на аноді почне руйнуватися. Далі, літій інтегрований в анод, запустить реакцію з електролітом, а результатом цього заходу стає утворення летких газів: етилену, метану тощо. Чи відчуваєте чим пахне? Цілком вірно – перед нами практично готова вибухова суміш, тільки ось ще немає головної складової для якісного загоряння – кисню.

Весь цей гримучий склад, перебуваючи в закритому герметичному корпусі, починає інтенсивно вирувати, а оскільки екзотермічні реакції, то неминуче буде зростати температура і тиск. Коли дійде до 180-200 градусів, матеріал катода почне брати участь у реакції, що й призведе до утворення того самого, необхідного для успішного вибуху інгредієнта — кисню. Ось саме в цей момент і відбувається спалах із стрибкоподібним збільшенням температури. Паралельно, продовжує розкладатися електроліт (300 градусів) і цей процес теж виділяє тепло.

На заключному етапі даного «злочинства», із залишками електроліту вступає в реакцію і графіт, що призводить до ще більшого підвищення температури – це приблизно 600 градусів. Таке напруження тягне за собою розплавлення струмоприймача, виготовленого з алюмінію.

Найбільш небезпечною речовиною у складі літій-іонних батарей є електроліт, який розкладається на ці, чудово займисті гази. На даний момент дуже багато вчених працюють у цьому напрямку, але поки що гідної альтернативи вибухонебезпечному електроліту не знайдено.

Інші причини вибуху літій-іонної батареї

Звичайно, коротке замикання в електрохімічному осередку є найчастішою причиною самозаймання електронакопичувача, але в той же час є й низка інших обставин, які також можуть призвести до сумних наслідків:

• перегрів акумулятора (не враховуючи причини, описані вище);
• підзарядка АКБ високими струмами;
• перевищення гранично допустимої напруги;
• дуже глибокий розряд.

Що роблять виробники, щоб захистити свою продукцію від самозаймання?

Цілком логічно, що розробники в курсі справи щодо вибухонебезпечності літій-іонних електроакумуляторів, тому й передбачили відразу кілька ступенів захисту від подібних неприємностей. Чим потужніший АКБ, тим більше її захищають.

Взяти, наприклад, сепаратор, він при точковому підвищенні температури стає непроникним, не даючи таким чином розвиватися дендритам у цій ділянці акумулятора. Однак якщо процес рухається вперед нестримно, то сепаратор може просто розплавитися. Є ще вбудовані в батарею клапани та запобіжники. Клапан призначений для того, щоб випускати гази, що накопичилися всередині акумулятора, а ось запобіжники відповідають за те, щоб у разі чого, відключити електроди від мережі. У складі Li-ion АКБ також присутні контролери, балансири заряду, рецептори тощо.

Що потрібно робити, щоб уникнути самозаймання акумуляторної батареї?

1. Купуйте продукцію відомих і позитивно зарекомендували себе брендів – це перш за все, тому що якщо попадеться дефективний дешевий виріб, то потім ви нічого вже зробити не зможете – вважайте, що сидите на «пороховій бочці».
2. Не піддавайте батарею тепловим та механічним впливам, не проколюйте та не деформуйте її.
3. Не потрібно розбирати електронакопичувач, якщо не знаєте як правильно це робити і особливо, якщо це робити взагалі нема чого.
4. Потеклий або акумулятор, що здувся, не можна експлуатувати: від’єднайте його від споживача, дотримуючись обережності, щоб уникнути короткого замикання на контактах батареї.
5. Для заряджання Li-ion АКБ використовуйте тільки оригінальні зарядні пристрої.

Висновок

Отже, що ми маємо: виявляється літій-іонні акумуляторні батареї справді можуть вибухати як бомби, але просто так, цього статися не може – тут потрібні певні умови. З цієї причини, потрібно придбати виключно якісні вироби, оснащені всім необхідним, щоб не допустити самозаймання АКБ. Крім того, літій-іонна батарея вимагає правильної експлуатації та дбайливого ставлення до себе. Дотримуйтесь всього перерахованого та неприємних сюрпризів від високоефективного літій-іонного акумулятора ви не дочекаєтеся!