Батареи смартфонов: почему они взрываются?
Кажется, от разговоров про взрывающиеся батареи телефонов уже некуда деться, спасибо Samsung и их Note 7. Однако это не первый и не единственный аппарат с подобной проблемой. Почему вообще взрываются батареи? Давайте поговорим подробнее…
Пока мы используем литий-ионные аккумуляторы, единичные случаи с батареями будут происходить. Note 7 – не первый телефон, для которого потребовался масштабный отзыв по причине, связанной с батареей. Например, подобное могут вспомнить давние фанаты Nokia. Но тогда аккумуляторы были съемными, и финской компании не пришлось убирать модели с рынка. Такое случается, ничего хорошего в этом нет, но оно случается. Давайте разберемся, почему.
Как работает аккумулятор в вашем телефоне
Первое, что мы рассмотрим, это то, как работает литий-ионный аккумулятор в вашем аппарате. Суть заключена в самом названии: электричество доставляется от одного электрода к другому посредством заряженных ионов лития.
Литий-ионные аккумуляторы хранят, передают и высвобождают энергию за счет электрохимических процессов. В аккумуляторе два электрода, анод и катод. Катод содержит положительно заряженные ионы, а анод – отрицательно заряженные ионы. Между двумя электродами находится электролит. В литиевой батарее это обычно натуральная паста-растворитель с большим содержанием солей металлов (в большинстве случаев лития) в составе. Это обеспечивает электрическую проводимость. В электролите находятся анод и катод, которые разделены и не соприкасаются.
Когда вы разряжаете батарею (используете телефон и не заряжаете ее), положительные ионы покидают анод, а отрицательно заряженный катод их притягивает. Электрический ток исходит из анода, идет через ваше устройство и возвращается к катоду. Да-да, оно описывает круг, а не «тратится» заряженным устройством. Когда вы заряжаете свой телефон, происходит обратный процесс: ионы движутся от катода к аноду через электролит.
Когда эти ионы вступают в контакт с заряженными атомами на электроде, происходит окислительно-восстановительная электрохимическая реакция, она высвобождает заряженные электроны, которые проходят через контакты батареи, соединенные с электродами. За счет этого ионы лития в электролите продолжают заряжаться до тех пор, пока их не оказывается недостаточно, чтобы удерживать достаточно сильный положительный заряд, позволяющий двигаться сквозь электролит, и с этого момента аккумулятор перестает заряжаться.
Литий – самый легкий металл, третий номер в периодической таблице. Также он легко вступает в реакцию, что позволяет очень легко эту реакцию вызвать. Таким образом, это практически идеальный металл для использования в портативной многоразовой батарее. Она мало весит, легко перезаряжается и долгое время способна держать заряд.
Что заставляет аккумуляторы взрываться?
Для начала давайте определимся, что в данном случае понимать как взрыв. Электролитная паста внутри литий-ионного аккумулятора очень летуча. Она может легко среагировать с другими металлами и имеет очень низкую температуру плавления (180 градусов Цельсия). Внутри герметичного корпуса батареи может расти давление вплоть до нарушения целостности корпуса, а затем быстро вырываться наружу. Давление выталкивает очень горячий электролит, который может вызвать возгорание. Некоторые литиевые батареи оснащены вентиляционным отверстием, поэтому они не разрушатся от давления. Когда разрушается корпус аккумулятора и перегретая жидкость, содержащая расплавленные металлы, вырывается наружу под давлением, это вызывает взрыв.
Есть два способа заставить взорваться литиевый аккумулятор – перегрев и физическое повреждение. Рассмотрим оба этих способа.
Перегрев и перезаряд
Вот наиболее частая причина проблем с батареей. В процессе зарядки что-то нарушается, и поступающее напряжение продолжает поддерживать химическую реакцию. Один участок батареи становится слишком горячим, а поскольку зарядка продолжается, он не может охладиться, и происходит то, что называется тепловым разгоном аккумулятора.
В этом случае горячий участок начинает вырабатывать собственное тепло, которое перегревает электролит по соседству, а он, в свою очередь, перегревает другие части батареи. Тепло распространяется электролитом и образует пар, поднимая давление до тех пор, пока не трескается корпус батареи, давая выход накопившемуся давлению и горячей, липкой и очень горючей при контакте с воздухом жидкости.
Когда такое происходит, это может причинить физический ущерб всему, что находится близко – это платы и стекло или пластик. Эти материалы тоже могут возгораться от нагревания, что, в свою очередь, воспламеняет потекший электролит, делая его чем-то вроде напалма, который прилипает и прожигает поверхность насквозь или сгорает сам.
Процесс теплового разгона может происходить очень быстро, и ситуация из разряда нормы может перейти к катастрофической внутри батареи даже раньше, чем тепло передастся от аппарата вашей руке. К счастью, сотни миллионов литиевых аккумуляторов, производимых ежегодно, имеют крайне малый (статистически почти не значимый) процент отказов из-за теплового разгона, частично благодаря мерам безопасности (наподобие негорючих добавок в составе электролита и покрытий).
Когда ваш телефон становится слишком горячим и сообщает, что не может заряжаться или работать на полную мощность, ему требуется охлаждение, чтобы не произошло теплового разгона. Послушайтесь маленького всплывшего сообщения и дайте устройству остыть.
Механические повреждения
Литиевые батареи специально разрабатывались легкми, высокопроизводительными и легко заряжающимися. А это значит, что внешняя оболочка и сепарация, разделяющая электроды, очень тонкие и легкие. Большая часть веса приходится на компоненты, которые непосредственно участвуют в процессе зарядки телефона.
В силу того, что перегородки и корпус батареи тонкие, их легко порвать или пробить. Если батарея повреждена так, что это позволяет соприкасаться электродам, может произойти короткое замыкание. Мгновенный электрический разряд взрывоопасен, и он может нагреть электролит и создать давление, которое вырвется через любое повреждение в корпусе аккумулятора. Горячо, огнеопасно, происходит контакт с искрой – вот вам и рецепт катастрофы.
Тонкий корпус, как ни странно это звучит, это тоже мера предосторожности. Чем тоньше металл, тем проще его повредить, за счет этого не образуется такого большого давления, получается этакое вентиляционное отверстие. Плохо, когда наружу вырывается горячая огнеопасная жидкость, но еще хуже, когда нарастает давление внутри более толстого корпуса, пока наконец не разрушает его.
Другие металлы в контакте с электролитной пастой также могут вызвать искру, которая приведет к взрыву. Можете сами поискать на YouTube ролики, в которых очень умные товарищи пробивают аккумуляторы телефонов, чтобы те взорвались. Реакцией на контакт с инородным металлом будет короткое замыкание, но в меньшем масштабе.
А что же там с Note 7?
Только Samsung доподлинно известно, почему взрываются батареи в Galaxy Note 7. Компания разослала в своем британском подразделении короткое послание, в котором нет особого смысла. Фраза «the anode-to-cathode came into contact» звучит так, будто описывается короткое замыкание, но в такой формулировке это ничего не означает. Но будучи диванным экспертом, который своими глазами никогда не видел взрывающийся или уже взорвавшийся Galaxy Note 7, можно сказать, что наиболее вероятна как раз ситуация с замыканием анода на катод.
Поскольку люди сообщают о взрывах батарей Note 7, не находящихся на зарядке, и значительная часть телефонов, которые мы видим на фото, не сгорели, можно предполагать, что тепловой разгон тут не виноват, несмотря на то, что Health Canada точно утверждает, что единичный случай в Канаде произошел от перегрева.
Тепловой разгон – не такое «мгновенное» событие, как короткое замыкание, и нагретому электролиту требуется больше времени, чтобы вырваться из батареи с пламенем, чем вырваться из ее корпуса со взрывом. Сгорит больше, чем часть телефона, а также другие предметы в непосредственной близости. Также тепловой взрыв заставит аккумулятор распухнуть, прежде чем нарушится целостность его гибкого корпуса, и не имея дальнейшего пространства для расширения, разбухшая батарея сломает крышку самого телефона. Видео на YouTube демонстрируют, как это происходит, вот хороший, хоть и старый пример того, как кто-то нарушает меры предосторожности, чтобы это произошло. Некто, кому, наверное, сказали, что телефон раздуется, прежде чем взорваться.
Вряд ли можно предполагать, что какие-то инородные тела или попавшие на производстве частички контактируют с электролитом. Это популярная гипотеза, но если в партии аппаратов (мы не знаем, какого размера партия) окажутся мелкие частички в электролите, мы увидим гораздо больше взрывающихся Galaxy Note 7.
Более вероятным кажется замыкание внутри батареи или в зарядной цепи вкупе с электролитом, имеющим негорючие добавки. Быстрый взрыв, который высвобождает небольшое давление и жидкость одновременно, может исчерпать себя, если с аппаратом ничто не контактирует. Если же произойдет контакт с чем-то горючим, например, с тем же сиденьем джипа, может произойти пожар.
Конечно, может иметь место масса факторов, о которых мы не знаем. Процесс производства литий-ионных батарей для телефонов предполагает их высокую безопасность. Но много что может пойти не так.
Предварительный отчет Samsung корейским регуляторам называл причиной ошибку в производстве, из-за которой платы внутри аккумулятора контактировали друг с другом, вызывая «чрезмерно высокую температуру». В отчете говорилось, что требуется более тщательный анализ, чтобы выяснить точную причину.
Предварительные выводы указывают на ошибку в производстве, из-за которой платы в ячейках аккумулятора оказываются под давлением. В свою очередь это заставляет вступать в контакт положительный и отрицательный полюса, вызывая чрезмерное повышение температуры. Тем не менее, Samsung акцентирует внимание на необходимости более тщательного анализа ситуации, чтобы определить «точную причину» повреждения аккумулятора.
Что мы знаем о Galaxy Note 7 и его аккумуляторе
Мы понятия не имеем, что происходит с Galaxy Note 7, не знает этого и никто вне компании Samsung. Но мы можем сформулировать обоснованное предположение, опираясь на те малые знания, что у нас есть. Galaxy Note 7 признан компанией Samsung проблемным аппаратом, его производство свернуто, и мы должны прекратить его использовать и вернуть. Собственно, для того, чтобы избавиться от потенциального источника опасности, нам не надо знать, почему именно аппараты взрываются. Как поступить, дело ваше, как, впрочем, и то, как отнестись к ситуации в целом. Мы лишь постарались приоткрыть завесу над технической стороной вопроса.
Взрывы аккумуляторов: причины, следствия и методы защиты
Горящие и взрывающиеся аккумуляторы небезосновательно считаются одной из главных фобий пользователей мобильных устройств. Многие помнят о взрывающихся на зарядке iPhone, а историю с Galaxy Note 7 не слышал только очень ленивый и нелюбопытный. Новые поводы опасаться жизнь подкидывает регулярно. Например, совсем недавно у одной из пассажирок авиарейса Пекин-Мельбурн загорелись аккумуляторы беспроводных наушников. От подобного не застрахован никто. Мы постараемся подробно рассказать о причинах бабахов и способах защиты от них.
Хронология инцидентов
Несмотря на то, что в последнее время сообщений о взрывах и возгораниях батарей становится всё больше, подобные случаи происходят, наверное, с начала массового распространения гаджетов. Одно из наиболее ранних сообщений в прессе датируется 2006 годом, когда неприятностей от аккумуляторов стало столько, что уже невозможно было списать всё на случайность. Почти все крупные производители ноутбуков, включая Apple, Dell, Lenovo, Fujitsu, Hitachi, Sharp и Sony, начали отзывать тысячи и сотни тысяч своих устройств с рынка. Причиной стали дефектные аккумуляторы Sony, которые успели спалить сотни ноутбуков самых разных моделей. На фото ниже — эффектно бабахнувший ноутбук Dell, ставший основой дальнейшего разбирательства.
В следующий раз об опасностях батарей заговорили в 2009 году, когда было зафиксировано несколько случаев самовозгорания iPhone и iPod Touch, причём иногда с весьма неприятными последствиями. Одному из пострадавших осколки от разлетевшегося экрана попали в лицо, другому — повредили глаз. И это не считая множества случаев материального ущерба. На фото ниже — результат зарядки дефектного iPhone в автомобиле.
Конечно, с проблемами сталкивались владельцы не только iPhone, но и других гаджетов. Случаи возгорания и взрыва аккумуляторов были зафиксированы у смартфонов Samsung Galaxy S II, ноутбуков Apple PowerBook и даже кнопочных телефонов Nokia 8210.
Публикаций о взрывах батарей с каждым годом становилось всё больше, и не единожды в прессе появлялись сообщения, что тот или иной производитель отзывает очередную партию устройств в связи с дефектными батареями. Последние несколько лет не проходит и месяца без очередного громкого (в прямом и переносном смысле) взрыва. Взять для примера хоть 2016 год. Январь — Sony Xperia T3, владелец получил серьёзные ожоги руки во время использования мессенджера. Февраль — Lenovo A6000 загорелся при попытке вынуть аккумулятор после зарядки. Март — возгорание iPhone 6 на борту летевшего над Тихим океаном самолёта (к счастью, гаджет удалось быстро потушить). Апрель — взрыв LG Optimus F6 в кармане владельца, которому в итоге потребовалась пересадка кожи. Июнь — возгорание Samsung GALAXY S5, снова в кармане брюк, но на этот раз без травм. Июль — минимум два случая возгорания смартфонов Xiaomi, один стал причиной ожогов третьей степени у владельца. Август — возгорание iPhone 6 после падения с велосипеда и удара смартфона о землю. Сентябрь — множество взрывов и возгораний смартфонов Galaxy Note 7, которые приводили к самым разным последствиям. Октябрь — машина сгорела из-за оставленного на зарядке iPhone 7.
А в ноябре в одном из американских домов взорвался гироскутер, причинив ущерб сразу на миллион долларов — этот случай претендует на самый серьёзный по сумме ущерба.
Неприятные истории успели произойти и в начале этого года. В январе HP объявила об отзыве 100 тысяч ноутбуков из-за проблем с батареями. В феврале, по тем же причинам, Apple пришлось отозвать 88 тысяч смартфонов iPhone 6S. В марте произошёл и вовсе выдающийся случай: на борту самолёта прямо на голове женщины загорелись беспроводные наушники. Несмотря на пугающее фото, сильно пассажирка не пострадала, но лучше даже не предполагать, что случилось бы, будь возгорание чуточку сильнее. Как видим, источниками опасности могут стать не только смартфоны и ноутбуки, но и любые другие гаджеты с литиевыми аккумуляторами.
Почему аккумуляторы взрываются
С точки зрения физики и химии основная причина взрывов литиевых аккумуляторов одна — короткое замыкание между катодом и анодом. Если это происходит, резкое повышение силы тока начинает разогревать батарею. При достижении температуры в 70-90° С расплавленный литий начинает реагировать с электролитом. При этом выделяются взрывоопасные соединения, но без доступа кислорода взрыва не происходит. Наилучшее решение в этом случае — как можно быстрее разломать корпус аккумулятора. Возгорания при этом не избежать, но это будет именно горение, а не взрыв. Но если батарея крепкая, температура быстро достигает 200° С — и материал катода начинает разлагаться с выделением кислорода. Ускоряет этот процесс термическое разложение электролита, начинающееся при этой же температуре. Именно наличие углеводородов, окислителя в виде кислорода и высокая температура — идеальные условия для взрыва. В зависимости от конструкции аппарата этот взрыв может либо сорвать крышку батарейного отсека, либо разнести в куски весь девайс. Второе предсказуемо сопровождается большими разрушениями и серьёзными травмами. В наихудших случаях температура внутри аккумулятора может достигать 660-900° С, когда в реакцию с оставшимся электролитом вступает графит и плавится алюминиевый токоприёмник.
Причины короткого замыкания могут быть разные. Первая — физическое воздействие на аккумулятор. При ударах и падениях смартфона анод и катод могут соприкоснуться, что и запустит цепочку необратимых реакций. Именно из-за этого и происходили возгорания батарей Samsung Galaxy Note 7: тонкий корпус слишком сильно сдавливал аккумулятор, что иногда могло привести к контакту между электродами.
Вторая причина — нагрев, который может происходить при использовании неоригинальной зарядки или при долгом нахождении устройства под прямыми солнечными лучами. Иногда оба фактора встречаются: именно этим объясняется достаточно заметное количество сгоревших из-за смартфонов автомобилей. При повышении температуры внутренние части аккумулятора закономерно расширяются, химические реакции идут быстрее, что приводит к серии микроскопических коротких замыканий. Пока они не приняли лавинообразный характер, батарею ещё можно спасти, охладив её. Но если этого не сделать — всё будет развиваться по описанному выше сценарию.
Наконец, третья причина — банальное старение аккумулятора. Этот происходит с любым литиевым аккумуляторам, но обычно мы меняем гаджеты раньше, чем их батареи становятся опасными. Однако при неправильной или интенсивной эксплуатации аккумуляторов (быстрая зарядка, действие высоких температур, использование устройств на морозе) внутри них начинают «прорастать» так называемые дендриты — ветвистые структуры из металлического лития. Дендриты произрастают из анода, со временем могут достигнуть катода — и стать причиной короткого замыкания.
Как себя защитить
Часто в сети можно встретить информацию о том, что заряжать смартфоны нужно только оригинальными зарядными устройствами. Это справедливо, но лишь отчасти. Помимо фирменных блоков питания, которые идут в комплекте с гаджетом или продаются в официальных магазинах, вы можете без опасений пользоваться сертифицированными блоками. Например, сертифицированная компанией Apple зарядка для iPhone от другого производителя будет ничем не хуже (а порой и лучше) фирменного блока питания. В случае с Android выдавать сертификаты может не производитель гаджета, а разработчик технологий зарядки. Так, если ваш гаджет поддерживает технологию Quick Charge, вы можете купить любой блок питания, имеющий сертификацию Qualcomm. Если использования неоригинального зарядного устройства избежать всё же не удаётся, не заряжайте гаджеты с использованием напряжения выше 5 вольт и силой тока выше 1 ампера. При соблюдении этих условий ничего плохого, скорее всего, не случится.
Когда аппарат заряжается, не допускайте его перегрева, оставляя под прямыми лучами солнца или накрывая подушкой. Сюда же можно отнести запуск «тяжёлых» игр на смартфоне во время зарядки — вы получите двойной перегрев гаджета и сокращение срока службы батареи. Однако если уровень заряда полон, играть с вставленным кабелем можно. Ещё раз обращаем внимание, что речь идёт именно о серьёзной нагрузке, которая может привести к чрезмерному нагреву устройства. Обычное использование гаджета на зарядке (чтение, простые игры) ничем не грозит ни вам, ни батарее смартфона.
Наконец, плохой идеей будет ношение смартфона в кармане во время занятий активным спортом. В случае неудачного падения вы рискуете не только разбить гаджет, но и получить ожоги от взорвавшегося из-за механических повреждений аккумулятора — подобные случаи уже происходили. Этот же пункт касается и других механических воздействий, начиная от банальных падений устройств и заканчивая ситуацией «положил большой гаджет в задний карман и сел на твёрдую поверхность».
Вы наверняка замечали, что старые аккумуляторы вздуваются: это происходит из-за старения материалов батареи и внутренних химических реакций с выделением газов. Однако не стоит ждать, когда выпуклости на батарее будут видны невооружённым глазом. Если ваш гаджет оснащён съёмным аккумулятором, его очень просто проверить на пригодность: положите батарею на ровную гладкую поверхность и попробуйте её раскрутить. Если это удалось, и аккумулятор до остановки сделал несколько оборотов, от его эксплуатации лучше отказаться.
Что делать если аккумулятор загорелся?
Несмотря на все возможные меры предосторожности, от банального брака (как в случае с Galaxy Note 7) не застрахован никто, а потому важно чётко представлять себе последовательность действий, если вам всё же пришлось столкнуться с загоревшимся аккумулятором. Главное — не растеряться. Если ваш смартфон начал дымиться прямо на зарядке, прежде всего необходимо отключить электричество. При этом ни в коем случае не следует прикасаться смартфону. Лучше всего выдернуть из розетки сам зарядник, если есть возможность — выключить автомат на щитке, обесточив всё помещение. После этого следует как можно быстрее перекрыть доступ к устройству подручными средствами. Лучше всего накрыть девайс кастрюлей или бросить его в ведро с водой. Собственно, если реакция уже началась, остановить её в бытовых условиях практически невозможно — либо сама прекратится, либо таки рванёт. Все действия сводятся к минимизации последствий. Если можно выкинуть аппарат либо батарею в место, где взрыв никому не причинит ущерба — делайте это как можно быстрее. Если такой возможности нет — постарайтесь накрыть эту «гранату» чем угодно, что плохо горит само и не позволит разлететься горящим обломкам при взрыве.
Как известно, чистый литий нельзя тушить водой — он соединяется с ней, выделяя взрывоопасный водород. Однако в современных аккумуляторах металлический литий не используется, поэтому тушение водой не хуже любого другого способа. А вот если проблема возникла с неперезаряжаемой литиевой батарейкой, в которых металлический литий всё же есть, воды действительно лучше избегать.
Мифы и факты об аккумуляторах
В Интернете не прекращаются споры о том, как всё-таки правильно эксплуатировать литиевые аккумуляторы, а одно и то же утверждение в разных источниках может быть как подтверждено, так и опровергнуто. Мы постараемся не только дать ответы на наиболее частые вопросы, но и обосновать их.
Аккумуляторы необходимо заряжать с 0 до 100 процентов — миф. Долгое время считалось, что литиевые аккумуляторы не подвержены эффекту памяти, однако учёные выяснили, что это не совсем так. Но значимость эффекта настолько невелика, то при полном разряде литиевых батарей шанс навредить им намного больше, чем при заряде с 50%. Дело в том, что чем глубже вы разряжаете аккумулятор, тем интенсивнее расходуется ресурс его компонентов, которые начинают испытывать значительные механические напряжения. Среди таких негативных эффектов — разрушение электродов, расслоение графитовой матрицы, образование частиц металлического лития и дендритов, снижение поверхностной активности электродов. Всё это приводит к тому, что батарея при заряде сможет запасать меньше энергии. Поэтому вы можете без опасений ставить гаджет на зарядку в любой удобный момент, но, в то же время, не допускайте их полного разряда.
Аккумуляторы необходимо калибровать — правда. Современные батареи управляются специальными контроллерами, которые со временем накапливают определённую ошибку, вследствие чего происходит снижение эффективной ёмкости аккумулятора. Например, аккумулятор может быть заряжен всего до 90%, в то время как индикатор на устройстве показывает все 100%. Чтобы избежать этого, необходимо хотя бы раз в месяц производить полный цикл разрядки-зарядки батареи — такая рекомендация содержится во многих инструкциях к смартфонам и планшетам.
Аккумуляторы необходимо хранить полностью заряженными (разряженными) — миф. Длительное хранение (больше месяца) полностью разряженного аккумулятора может привести к так называемому «глубокому разряду» и смерти батареи, а полностью заряженного — ускорить старение материалов. Оптимальным уровнем заряда для хранения аккумулятора считаются 40-50%. Если вы обратите внимание, то заметите, что большинство новых устройств «из коробки» имеют именно такой уровень заряда аккумуляторов.
Зарядное устройство необходимо отключать после зарядки — миф. Современные зарядные устройства и контроллеры не будут накачивать аккумулятор энергией после его полной зарядки, а лишь поддерживать его на полном уровне, включая зарядку время от времени. Поэтому, вы можете спокойно оставлять гаджеты заряжаться на ночь (разумеется, при соблюдении прочих правил безопасности) — ничего плохого с ними за это время не случится.
Холод вредит аккумуляторам — правда. Как и сильный нагрев аккумулятора, воздействие холода также сильно сказывается на сроке службы батарей, что особенно неприятно для жителей средней полосы и севера, где зимой может быть достаточно холодно. Материалы и химические процессы в батареях рассчитаны так, чтобы обеспечивать максимальную эффективность процессов заряда и разряда при комнатной температуре. При выходе температуры за допустимые рамки в аккумуляторах ускоряются процессы старения, что ведёт к падению их ёмкости. Если вы хотите, чтобы ваш гаджет и его батарея прослужили дольше — носите его зимой во внутреннем кармане куртки и старайтесь не пользоваться устройством на морозе.
Заключение
Как вы могли убедиться, именно аккумуляторы — наиболее чувствительная составляющая современных мобильных устройств, требующая особого внимания. Ещё раз напомним несколько правил: не допускайте механических повреждений аккумуляторов, их перегрева и переохлаждения, заряжайте гаджеты только проверенными блоками питания и кабелями, не разряжайте батарею вплоть до отключения устройства и хотя бы раз в месяц проводите калибровку аккумулятора. При выполнении этих несложных советов вы едва ли столкнётесь с угрозой взрыва батареи вашего смартфона, и она прослужит вам максимально долго.
Kак взрываются литий-ионные аккумуляторы
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?
Литий-ионные аккумуляторы состоят из анода и катода, разделённых пористым полимерным сепаратором. Активным материалом катода чаще всего являются оксиды переходных металлов со встроенными в кристалл ионами лития. В аноде обычно используется графит. Электролит, которым залита электрохимическая ячейка, представляет собой органический раствор солей лития. При первой зарядке, производимой фирмой-изготовителем, при встраивании лития в анод на электродах (особенно на аноде) образуется защитный ион-проводящий слой (SEI), состоящий из разложившегося электролита. Этот слой защищает электроды от паразитических реакций с электролитом.
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 тут.
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…
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.
Причины взрыва аккумулятора телефона
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, что делать, если вздулась батарея на телефоне.
Вздутие телефонного аккумулятора
Советуем также прочитать материал о том, как проверить аккумулятор телефона и значение его ёмкости.
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.
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.
Последствия воспламенения аккумуляторной батареи
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.
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.
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.
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.
Как избежать взрыва аккумулятора телефона?
Для того чтобы избежать взрыва литиевой батареи вашего телефона, смартфона, ноутбука, нужно соблюдать следующие правила эксплуатации: