Почему аккумуляторы взрываются – почему может взорваться литий-ионный аккумулятор в электронной сигарете, или другом устройстве

10.12.2020 alexxlab 0 Comments

Содержание

Причины взрыва аккумулятора

В чем первопричина взрыва аккумулятора

На автомобилях разных типов и классов применяют стартерные свинцово-кислотные АКБ. Несмотря на широкое использование данных батарей, их отличает две особенности, которые могут привести к проблемам в процессе эксплуатации:

снижение работоспособности, которое происходит в режиме пуска двигателя
уменьшение надежности работы батарей

Причины этих проблем давно известны: это — элементарное несоблюдение правил обслуживания батарей. Наиболее распространенная ошибка — несвоевременное пополнение (а попросту — доливка) в банки АКБ дистиллированной воды. Это необходимо для того, чтобы поддерживать уровень электролита над пластинами на необходимом уровне. Он отличается в батареях разного года выпуска. Уровень электролита в корпусах достаточно старых конструкций должен быть в пределах от 10 до 20 мм. В новых этот показатель в два раза выше (до 40 мм).

Почему возникает вероятность взрыва аккумулятора?

Во время заряда свинцовых автомобильных аккумуляторов происходит процесс разложения воды, которая находится в электролите. Она разлагается на несколько составляющих — водород и кислород. Причем, этот процесс характерен для зарядки как непосредственно в автомобиле, так и на стенде. Что происходит после разложения воды? Выделяемый кислород, имеющий отрицательный заряд, частично оседает на решетках (речь о положительных пластинах батареи). В результате, происходит окисление пластин, а следом — постепенное сокращение эксплутационного ресурса аккумулятора.

А что же происходит со второй частью кислорода и водорода? Эти газы, которые выделяются из электролита, попадают на поверхность и создают видимость закипания, начинают скапливаться под крышками. Это происходит во всех банках АКБ.

Что происходит дальше? Если владелец машины исправно проверяет чистоту батареи, и удаляет загрязнения, то обозначенный выше газ сможет покинуть аккумулятор через отверстия в пробках. Конечно, любой выброс вреден для окружающей среды, но гораздо хуже, если произойдет второй вариант. Если в отверстиях присутствует грязь, они невольно оказываются загерметизированы. В результате, газообразная смесь из кислорода и водорода (иногда — с примесью сероводорода) не может вырваться на поверхность, и становится источником взрыва. Данная смесь при наличии даже малейшей искры загорится — что и приведет к взрыву аккумулятора.

Предпосылки, увеличивающие вероятность взрыва аккумулятора

Любой взрыв — это ЧП. Мощность взрыва аккумуляторной батареи нельзя просчитать заранее; ведь она находится в прямой зависимости от от того объема газовой смеси, которая скопилась в закрытом пространстве батареи. Постараемся выделить факторы, которые увеличивают риск и силы взрыва.

1. Сбой в работе регулятора напряжения. Происходит увеличение зарядного напряжения, которое поступает от генератора, в результате газообразование внутри батареи становится более интенсивным. Поскольку выделение газа возрастает быстрыми темпами, вероятность взрыва батареи значительно увеличивается.

2. Недостаточный (низкий) уровень электролита. Причина его уже обозначена — отсутствие регулярного пополнения запаса жидкости. Нехватка электролита приводит к увеличению объема газа под крышками, в корпусе батареи. Пропорционально увеличивается и сила потенциального взрыва.

3. Утепление аккумулятора. Используется в зимний период. Делается с целью поддержания теплового баланса. При этом, многие водители забывают о контроле за свободным удалением газов.

Как происходит взрыв АКБ. Опасности и последствия

Каковы бы ни были обстоятельства, если накопившаяся смесь газа не имеет выхода, достаточно малейшей искры, чтобы произошел взрыв. Основные причины взрыва:

неисправная электропроводка
любой открытый огонь (непогашенная спичка или сигарета)
статическое электричество (например, от синтетики)
момент возникновения повышенной нагрузки на АКБ (нарушение контактов в месте соединения проводов полюсными выходами)
понижение уровня электролита, которое может привести к образованию искры между деталями внутри аккумулятора

Следом за взрывом происходит разрушение самого корпуса АКБ. Разлет деталей корпуса способен нанести травмы людям и привести к разрушениям автомобиля и разных предметов.

Сам взрыв по мощности напоминает выстрел из стрелкового оружия большого калибра. При взрывах батарей особенно часто страдает лицо.

Соблюдение техники безопасности — путь к предотвращению взрыва аккумулятора

Помните, что причиной взрыва является нарушение режима использования АКБ. Как избежать взрыва? Соблюдайте меры предосторожности и правила эксплуатации батареи. Обратите внимание на следующие моменты:

1. Следите за уровнем электролита, доливайте дистиллированную воду

2. Очищайте батарею от любых загрязнений

3. Контролируйте износ батареи. По возможности, не допускайте постоянной вибрации в процессе движения. Вибрация — одна из главных причин износа АКБ.

4. Следите за надежным креплением аккумулятора

5. Проверяйте состояние клемм; они должны быть чистыми и достаточно затянутыми. В ряде случаем целесообразно покрывать клеммы густой смазкой, но затем следить, чтобы она не стала причиной накопления грязи

6. Проверяйте соответствие технических показателей батареи установленным нормативам.

7. Следите за состоянием корпуса. Появление трещин на стенках говорит о недостаточном уровне электролита. Также, не должны быть повреждены внутренние перегородки, проходящие между банками.

Важный момент! Если выяснится, что после взрыва внутренние соединения АКБ могут функционировать — это будет свидетельствовать о несоблюдении правил эксплуатации, а не о наличии дефекта. А значит, произошедшее не будет классифицироваться как гарантийный случай, а для замены и возмещения средств не будет оснований. Даже если все произошло в период действия гарантийного срока.

Особенность заводской заливки и контроль за уровнем электролита

Доказано, что автоматические системы заливки, которые используются на заводах, из-за сбоев в автоматике иногда могут залить в батареи недостаточное количество электролита. Вот почему, в момент установки новой батареи, лучше проконтролировать уровень эл-та, причем — в каждой банке. Естественно, если аккумулятор снабжен пробками. Опытные водители согласятся: лучше подстраховаться, чтобы избежать в дальнейшем вероятности взрыва аккумулятора.

Почему взрываются батареи смартфонов и как этого избежать

Аккумуляторы являются одними из главных составляющих современных электронных гаджетов. За последние годы инженеры добились значительного увеличения их ёмкости при неизменном или даже меньшем размере. Это было достигнуто благодаря применению сложных технологий, которые обеспечивают самую высокую плотность заряда батарей. Однако сейчас, похоже, производители упёрлись в барьер, пересекать который может быть опасно.

Из чего сделан ваш аккумулятор

В настоящее время в большинстве электронных гаджетов используются литийионные аккумуляторы. Они состоят из электродов, размещённых в герметичном корпусе с клеммами-токосъёмниками. Переносчиком заряда здесь является положительно заряженный ион лития, что отображено в названии батареи.

Характеристики и эксплуатационные качества литийионных аккумуляторов в значительной мере зависят от химического состава используемых материалов. Первоначально в качестве отрицательных пластин применялся металлический литий, затем стал использоваться каменноугольный кокс. Сейчас чаще всего применяется графит.

Кроме чисто «химической» начинки в батарее есть и электронные компоненты. В её корпус встраивают контроллер заряда, который защищает аккумулятор от превышения напряжения при зарядке. Этот же компонент способен отслеживать температуру аккумулятора, чтобы отключить его при перегреве.

Почему батареи взрываются

Самым опасным элементом в конструкции аккумулятора является электролит, который чрезвычайно химически активен. Если в конструкции батареи есть ошибки или технологический брак, то корпус батареи может не выдержать. Тогда горячий электролит попадёт наружу, что, в свою очередь, приведёт к воспламенению гаджета. Давайте разберём основные причины, почему это может произойти.

Перегрев и перезаряд

Совсем недавно это была одна из наиболее распространённых причин, из-за которой батареи выходили из строя. Из-за поломки контроллера ток продолжает идти даже тогда, когда аккумулятор уже заряжен. Происходит нагрев батареи с последующим её возгоранием.

Стоит заметить, что перегрев и возгорание батареи в результате «теплового пробоя» могут произойти очень быстро, буквально за несколько минут. К счастью, системы контроля состояния батареи становятся всё более совершенными. Если вы будете избегать откровенно дешёвых изделий, то этот вид повреждений вам практически не грозит.

Механические повреждения

Современные гаджеты становятся всё более тонкими и лёгкими, поэтому в некоторых батареях используются специальные облегчённые конструкции, которые, к сожалению, не всегда могут обеспечить достаточную прочность. Если в аккумуляторе произойдёт повреждение перегородки между электродами, то возникнет короткое замыкание, которое приведёт к мгновенному нагреву и воспламенению батареи.

Тонкая внешняя оболочка батареи тоже может быть причиной неприятностей. Дело в том, что при заряде аккумулятора в нём может возникать довольно большое давление. Если производитель в погоне за снижением веса пренебрёг правилами безопасности, то такая батарея тоже может рано или поздно взорваться.

Как избежать проблем с аккумулятором

Никто, разумеется, не сможет на сто процентов дать гарантию, что вам не попадётся бракованный или плохо сконструированный аккумулятор. Однако выполнение приведённых ниже правил может в значительной мере снизить риск воспламенения или взрыва батареи в вашем смартфоне.

Старайтесь избегать откровенно бюджетных моделей и неизвестных производителей. В стремлении выиграть ценовую гонку они стараются экономить буквально на всём, в том числе и на батарее. Несоответствие фактической и заявленной ёмкости — это ещё далеко не самое страшное. Гораздо хуже, когда в батарее отсутствует термодатчик или используется контроллер заряда из прошлого века.
Используйте только комплектное зарядное устройство. В случае его потери или повреждения не покупайте копеечные китайские зарядки, а предпочтите изделие проверенного производителя. Обращайте внимание при этом на рекомендуемый ток заряда для своего гаджета.
В случае необходимости замены ищите оригинальный аккумулятор. Да, совместимые батареи могут стоить в несколько раз дешевле, но эта экономия может в результате в буквальном смысле сжечь ваш смартфон.

Во время зарядки смартфона старайтесь, чтобы он не перегревался. Освободите его от чехла, вытащите из-под подушки и не накрывайте одеялом. Особенно это касается новых смартфонов с функцией быстрой зарядки.
Старайтесь оберегать батарею от механических повреждений. Совершенно ясно, что вы не станете играть ею в футбол, но даже банальное падение на пол может стать для аккумулятора фатальным. При обнаружении признаков деформации (вздутие, перекос) замените аккумулятор на новый.

А у вас когда-нибудь загорался или закорачивал аккумулятор? Может быть, даже взрывался? Расскажите об этом в комментариях.

Почему взрываются аккумуляторы? – ответы на главные вопросы

По каким параметрам определяется безопасность аккумуляторов? Какие преимущества у литийионных аккумуляторов? Как правильно заряжать аккумуляторы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО), рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Безопасность аккумуляторов определяется несколькими параметрами, в первую очередь разницей потенциала между двумя электродами — анодом и катодом. Чем выше эта разница, тем более опасна система. Второй важный фактор — наличие или отсутствие органических составляющих в аккумуляторе. К примеру, водные электролиты не горят, в отличие от органических, и не выдерживают потенциал выше 1,3–1,4 вольта. Энергоемкость аккумуляторов зависит от разницы потенциалов. Чем она выше, тем больше энергии в единице массы или объема. Третий параметр — это выделение из системы горючих газов. В ходе побочных реакций могут образовываться и накапливаться кислород или водород. В таком случае малейшая искра приведет к взрыву аккумулятора.

В наши дни наиболее распространены свинцовые аккумуляторы. Они обладают низкой плотностью энергии и много весят, поэтому больше подходят для хранения энергии. Часто их используют в автомобилях для запуска двигателя внутреннего сгорания. Для электротранспорта и мобильных устройств лучше всего подходят литийионные аккумуляторы. Многие считают, что в таких аккумуляторах есть металлический литий, однако это не так. Литий находится в них в ионизированной форме.

В литийионных аккумуляторах между анодом и катодом существует прослойка органического электролита. Самый распространенный электролит — это смесь органических карбонатов, в которой находится LiPF₆ — активное и термически нестабильное соединение. Это самая опасная часть аккумулятора. При температуре свыше 60 °C электролит начинает медленно разлагаться. В этом случае безопасность аккумулятора зависит от двух факторов: во-первых, от различия потенциалов катода и анода, во-вторых, от химической природы самого катодного материала. Существуют принципиально опасные материалы, которые химически нестабильны и могут при небольшом нагреве или изменении химического потенциала выделять кислород. К такому типу соединений относится кобальтат лития. Большинство аварий, возгораний и взрывов возникает именно на таком типе аккумуляторов.

Взрыв может возникнуть из-за неудачной конструкции устройства. Компания Samsung была вынуждена списать целую серию телефонов из-за неправильного расположения аккумулятора. Также взрыв возможен в ситуации соединения катода с анодом. Внутри системы происходит короткое замыкание — выделяется большое количество тепла. Такое может случиться в результате производственного брака. Частички электрода отслаиваются и могут соединить два электрода между собой. В этом случае произойдет перегрев, испарение и разложение электролита и, соответственно, выделение газа и взрыв.

Еще одна возможная причина взрыва аккумулятора — это некорректная зарядка. Если очень быстро разряжать или не заряжать аккумулятор, литий попадет в углерод не полностью. При очень быстрой разрядке аккумулятора могут вырасти дендриты — тонкие ниточки лития, которые тянутся от одного электрода к другому.

Аккумулятор может взорваться из-за механического воздействия. Если не хватит прочности стенок аккумулятора, катод с анодом сомкнутся, и возникнет взрыв. Во всех случаях соединения катода с анодом возникает короткое замыкание, нагрев и разложение электролита. После чего в самом лучшем случае происходит испарение. В некоторых системах стоят специальные клапаны, которые выпускают лишний электролит таким образом, чтобы он не взорвался. Самое главное в больших системах — это теплоотвод между отдельными ячейками. Если таких ячеек много, они стоят близко друг к другу и между ними нет теплоотвода, то они нагреваются.

Аккумулятор должен заряжаться и разряжаться только в штатном режиме. В современных больших аккумуляторах за этим следит электроника и препятствует нарушению режима. Существует еще одна система, которая внедряется внутрь мощных аккумуляторов, при которой электролит находится в сепараторе — пористой пленке.

Когда производитель выпускает аккумулятор, он совершает два установочных цикла. За это время на аноде образуется тонкая защитная пленка. Именно она препятствует прорастанию лития. Если ее не нарушить и не поднять температуру, литий прорасти не сможет. Производитель это обеспечивает в первом цикле.

Сейчас идет работа над созданием полностью безопасных аккумуляторов. Ученые разрабатывают систему, в которой жидкий органический электролит заменится стеклообразным или керамическим. Но пока эта система не доведена до устройства, которое бы продемонстрировало свои характеристики.

Почему взрываются аккумуляторы

Я вот иногда читаю советы, что не стоит оставлять на ночь или в пустой квартире телефоны на зарядке и склонен думать, что даже с учетом защиты в телефоне этому совету надо следовать. Мало ли что. Но этой гифке загорелся Li-ion аккумулятор от какого-то средства передвижения — электромопеда или гироскутера. В чем суть проблемы…

Итак, для того, чтобы понять причину возгорания, давайте пару слов скажем об устройстве таких батарей.

Li-ion аккумуляторы выполнены из анодной и катодной пары, которые разделены между собой пористым полимерным сепаратором. В большинстве случаев активным материалом катода является оксиды переходных металлов с внедренными в структуру кристалла ионами лития. А в качестве анода применяется графит.

Электролит в батарейке обычно выполнен из растворов солей лития. Так вот при первой зарядке на заводе-изготовителе в процессе интеграции лития в анод на электродах (в основном на аноде) образуется защитный ионопроводящий слой (SEI), сформированный из разложившегося электролита. Сформированный барьер защищает электроды от недопустимых реакций с электролитом.
В большинстве случаев причиной самовозгорания аккумулятора является банальное короткое замыкание в самой ячейке. И причиной формирования электрического контакта между электродами может стать:

Механическое повреждение элемента. Допустим, вы уронили телефон или аккумулятор на пол и тем самым повредили внутреннюю структуру батареи.

Заводской брак. Даже в век роботизированного производства никто не защищен от банального производственного брака, например, недостаточно ровно были нарезаны электроды или попала металлическая часть между катодом и анодом, что привело к повреждению сепаратора.

Прорастание металлического лития (Дендритов). Это явление наблюдается при слишком быстрой разрядке или зарядке, когда ионы лития просто не успевают встраиваться в кристалл анода и в результате чего на нем (аноде) начинается процесс роста кристаллов, что ведет к повреждению сепаратора.
Развитие самовозгорания

Короткое замыкание в элементе случилось, этот факт запускает процесс нагрева аккумулятора и когда температура достигает 70-90градусов по Цельсию, ионопроводящий защитный барьер начинает разрушаться на аноде.

После этого литий, интегрированный в анод, запускает реакцию с электролитом, в результате этого процесса происходит выделение летучих газов: этан, метан, этилен и т. п.

Так, взрывоопасная смесь есть, но нет главного ингредиента для возгорания – кислорода.

Весь этот химический коктейль начинает бурлить в закрытом герметичном корпусе, а так как реакции экзотермические, то это неминуемо ведет к росту температуры и давления.

При достижении 180-200 градусов по Цельсию материал катода включается в реакцию и в результате этого происходит выделение кислорода. Вот в этот самый момент и происходит «пых» и скачкообразное увеличение температуры. Параллельно этому продолжается разложение электролита (300 градусов по Цельсию), которое так же выделяет тепло.

И на финальной стадии этого процесса с остатками электролита вступает в реакцию графит, что еще больше повышает температуру примерно до 600 градусов по Цельсию, что приводит к расплавлению алюминиевого токоприемника.
Как защищают аккумуляторы

Конечно, производители знают о проблеме и предусмотрели сразу несколько степеней защит от возможного самовоспламенения и тут работает принцип, чем мощнее аккумулятор, тем больше степеней защит в нем.

Одной из степеней защиты является сепаратор, который при точечном повышении температуры становится непроницаемым и тем самым не дает развиваться дендритам в данном участке батареи. Но если процесс развивается стремительно, то сепаратор банально расплавляется.

Кроме этого аккумуляторы производятся со встроенными клапанами и предохранителями. Так при росте давления и температуры электроды просто отключатся от сети, а через клапан выходят образовавшиеся газы. Конечно, в этом случае при контакте с кислородом газ горит.

Кроме этого литий-ионные аккумуляторы оснащаются контролерами, сенсорами, балансирами заряда и т. д.

Как вы, наверное, уже поняли самым опасным элементом в конструкции литий-ионных аккумуляторов является электролит, который как раз и разлагается на эти хорошо горящие и взрывающиеся газы. На сегодняшний день целые команды ученых находятся в активном поиске достойной альтернативы, но пока таковой нет.

Почему взрываются автомобильные аккумуляторы

Принято считать, что свинцово-кислотные аккумуляторы безопасны в эксплуатации. Но так ли это на самом деле? К сожалению, известно довольно много случаев взрывов АКБ, которые происходили вследствие определенных причин, связанных с нарушением их эксплуатации. Несмотря на распространенное мнение среди обывателей, взрыв батареи не может возникнуть просто так. Давайте попробуем ответить на вопрос о том, почему взрываются аккумуляторы автомобильные и каким образом можно этого избежать. Для этого придется совершить небольшой экскурс в мир химических реакций, которые могут оказаться далеко не безопасными.

Что происходит внутри жидко-кислотной батареи

Как известно, внутри аккумуляторной батареи такого типа находятся шесть отсеков, или «банок», в которых содержится кислота, разбавленная дистиллированной водой. В процессе езды автомобилиста в разных условиях, а также при зарядке и разрядке батареям приходится постоянно быть в роли небольшой химической лаборатории. Изменилось напряжение в бортовой сети машины — изменилась и плотность аккумулятора, и реакции внутри него стали протекать быстрее. Если процесс довести до предела, не следя за состоянием АКБ — увы, можно не удивляться, почему, в конечном итоге, взорвался аккумулятор в автомобиле.

Раствор серной кислоты, в состав которого также входит и дистиллированная вода, называется электролитической жидкостью (или электролитом). Если к аккумулятору подключена любая нагрузка, начинается электрохимический процесс, в ходе которого оксид свинца, входящий в состав пластин батареи, вступает в связь с электролитом. В результате этого получается сульфат свинца из самого металла. На электродах со знаком «плюс» оксид Pb восстанавливается, а на «минусовых» полюсах свинец только начинает окисляться. Так проходит химическая реакция в процессе постепенной разрядки батареи.

Может ли взорваться аккумулятор автомобиля в данном случае? Нет, если процесс электролиза воды не доводить до опасного предела, когда начинается повышенное образование химически активных газов — кислорода и водорода.

Когда батарея заряжается, весь процесс происходит в обратном порядке, а электролиз становится более интенсивным ближе к концу зарядки. Если заряжать АКБ, оставляя ее без присмотра, процесс может дойти до критического предела — и аккумулятор взрывается. Когда батарея начинает «кипеть», за ней нужно особенно следить, чтобы не произошло непоправимого.

Почему батареи взрываются?

Исходя из сути химических реакций внутри них, это уже становится ясно: если водный электролиз (процесс образования потенциально опасной «гремучей газовой смеси») довести до критического уровня — получится основная причина, из-за которой и происходит взрыв аккумулятора автомобиля. Конечно, сам взрыв не может случиться просто так — для этого должны быть созданы соответствующие неблагоприятные условия.

Забитые отверстия для отвода газов

Когда автомобиль движется, процесс водного электролиза происходит все время. Это обусловлено тем, что напряжение в бортовой сети машины почти никогда не бывает стабильным, да и коленный вал генератора вращается с разной скоростью, вырабатывая разные показатели U. При его превышении больше 14 вольт внутри аккумулятора и начинается тот самый электролиз, сопровождаемый «кипением» внутри — в результате того, что газовые пузырьки поднимаются вверх.

«Кипение» в данном случае может и не принести вреда, если все происходит в обычном режиме, а отверстия для отвода газов в АКБ находятся в порядке и не забиты пылью и грязью. Газы свободно выходят наружу и, при соприкосновении с воздухом, просто «дополняют его состав». Если же автовладелец относится к этому невнимательно и не следит за состоянием батареи, избыточное количество активного кислорода и водорода накапливается внутри, и может произойти взрыв аккумулятора.

Неисправный генератор

Может ли взорваться аккумулятор, если генератор работает неисправно? Разумеется — если при его подзарядке от генератора уровень напряжения постоянно «скачет» или становится намного выше установленного показателя в 14 вольт. Из этого следует, что более или менее стабильная работа генератора, при том условии, что при нем обязательно имеется исправный регулятор U, обеспечит водителю максимальную безопасность.

Понижение уровня электролита

Также, если не следить за уровнем электролита в банках обслуживаемых «жидко-кислотников» и не доливать в них регулярно дистиллированную воду, газообразование повышается в разы. По той простой причине, что банки опустошаются, и газы скапливаются в том месте, где должна находиться электролитическая жидкость.

Чехол

Кроме этого, даже такая нужная и полезная вещь, как аккумуляторный чехол для утепления батареи и предохранения ее от грязи, может стать причиной взрыва. При использовании чехла важно следить за тем, чтобы он не закрывал газовыводящие отверстия.

Искра

И последняя популярная причина, которая обуславливает довольно большой процент взорвавшихся батарей — это искра от сигарет, спичек, либо зажигалок вкупе с нарушением взаимодействия между контактами и выводами АКБ. И в том, и в другом случае может образоваться искра, способная спровоцировать взрыв.

Подведем итоги

Таким образом, становится понятно, почему взрываются автомобильные аккумуляторы и как предотвратить это неприятное и опасное последствие. Если регулярно следить за состоянием батареи, вовремя доливать в нее дистиллированную воду, проверять контакты, уровень напряжения и работу генератора, взрыва не произойдет.

Регулярно следите за тем, чтобы отверстия для вывода газов были чистыми. Особенно после длительных поездок и перед началом сезона, в случае, если машина долгое время стояла в гараже без эксплуатации.

При приобретении чехла закрепите его как можно надежнее, чтобы его мягкие части не закрывали отверстия. Также не забывайте о том, чтобы заботиться о вашем аккумуляторе и при его зарядке: не оставляйте его надолго без присмотра.

Соблюдение этих несложных правил поможет вам избежать неприятных последствий как для автомобиля, так и лично для вас.

Kак взрываются литий-ионные аккумуляторы / Habr

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…

Источники:

» Journal of The Electrochemical Society, 158 3 R1-R25 2011
» Journal of Power Sources 208 (2012) 210– 224
» www.electrochem.org/dl/interface/sum/sum12/sum12_p037_044.pdf
» www.powerinfo.ru/accumulator-liion.php
» www.treehugger.com/cars/elon-musk-letter-explains-why-tesla-model-s-caught-fire.html

Почему взрываются аккумуляторы — Мастерок.жж.рф — LiveJournal

Но этой гифке загорелся Li-ion аккумулятор от какого-то средства передвижения — электромопеда или гироскутера.

В чем суть проблемы…