Меню

Причины взрыв литиевого аккумулятора

Причины взрыв литиевого аккумулятора

ТАСС, 14 октября. Химики из США выяснили, как внутри литиевых аккумуляторов возникают так называемые «усы» — микроскопические нити из металлического лития, которые вызывают короткие замыкания и провоцируют взрыв батареи. Это поможет создать полностью безопасные батареи, пишут ученые в журнале Nature Nanotechnology.

«Мы не просто хотели подавить рост отдельных «усов», а понять, что именно порождает их, и ликвидировать общую причину их появления. Я надеюсь, что наше открытие заставит все сообщество иначе взглянуть на эту проблему и найти новые пути для борьбы с ней», — заявил один из авторо работы, Чунминь Ван из Северо-западной Национальной лаборатории в Ричланде (США).

Современные аккумуляторы состоят из трех частей — катода, анода и электролита. Первый играет роль положительного полюса и источника энергии, второй — отрицательного полюса и «изымателя» тока, а электролит позволяет носителям заряда передвигаться между катодом и анодом. Мощность аккумуляторов напрямую зависит от состава катода, а их долговечность — от того, как сильно разрушается материал электролита и катода при циклах разряда-заряда.

От устройства всех компонентов батареи зависит и то, насколько они опасны для человека. К примеру, многие типы современных литий-ионных аккумуляторов взрываются из-за того, что при перегреве внутри них начинают возникать короткие замыкания. Они еще больше нагревают аккумулятор, испаряют электролит, превращая его в пузырьки горячего газа.

Эта своеобразная цепная реакция раскаляет внутренности бывшей батареи до температуры примерно в тысячу градусов Цельсия. В конечном итоге скапливающийся газ разрывает корпус аккумулятора на части и происходит взрыв, выбрасывающий расплавленное содержимое батареи наружу. В результате телефон или другой гаджет повреждаются и могут нанести тяжелые увечья его владельцу.

Все эти процессы, как объясняет Ван, связаны с формированием так называемых «усов» — тонких и очень длинных нитей из чистого металлического лития, которые могут проникать через электролит и барьер между катодом и анодом. В некоторых случаях они соединяют их между собой, формируя короткое замыкание и порождая все те реакции, которые ведут к взрыву аккумулятора.

Батарея с «усами»

Как именно формируются «усы», ученые не знали, так как у них не было возможности заглянуть внутрь батареи и проследить за тем, что изменяется в ее структуре непосредственно перед началом цепной реакции и выходом аккумулятора из строя. Американские химики смогли решить эту проблему, создав своеобразную «нанобатарейку», в которой роль анода играло жало атомно-силового микроскопа, а катода — кусочек металлического лития.

Пропуская ток через анод и поднимая его, ученые одновременно решали две задачи — они помогали литиевым «усам» на катоде формироваться и заставляли их расти в сторону жала атомно-силового микроскопа. Кроме того, исследователи изучали структуру этих металлических нитей и наблюдали за манерой их роста.

Эти опыты помогли ученым раскрыть несколько важных особенностей этого процесса, которые нужно учитывать при создании действительно полностью безопасных литий-ионных батарей, а также первых полноценных аккумуляторов на базе чистого металлического лития.

К примеру, химики обнаружили, что «усы» растут очень быстро, двигаясь со скоростью 250 нанометров в секунду в сторону противоположно заряженного электрода. Между тем место их формирования и манера движения сильно зависели от структуры кристаллов лития, наличия соединений углерода в электролите и устройства поверхности самих электродов. Знание этих особенностей, как отмечает Ван, позволяет предсказывать манеру роста «усов» и предотвращать их контакт с анодом или катодом.

Пользуясь этими сведениями, ученые смогли подавить формирование «усов», добавив в электролит циклогексанон, слаботоксичное соединение кислорода и бензола с ароматом мяты. Дальнейшие наблюдения за ростом нанонитей из лития, как надеются химики, помогут подобрать более эффективные способы борьбы с ними и создать действительно безопасные аккумуляторы.

Источник



Как горят и взрываются литиевые аккумуляторы

У каждого современного человека есть множество Li-Ion аккумуляторов: в смартфонах, ноутбуках, пауэрбанках, беспроводных наушниках и колонках, электросамокатах, электровелосипедах, гироскутерах, пылесосах и многих других устройствах.
Многие знают об опасности этих аккумуляторов, но мало кто знает, как именно они горят. Это впечатляет, поверьте!

Читайте также:  Шуруповерт с литиевым аккумулятором bort

Для начала посмотрите ролик Креосана об издевательствах над аккумуляторами 18650. То, с какой интенсивностью они горят при физическом повреждении, приводит в ужас.

KREOSAN

4,5 млн подписчиков

Интересно, что качественные аккумуляторы не боятся электрического воздействия — ни при перезаряде большим током, ни при коротком замыкании ничего страшного с ними не происходит. Замечу, что дешёвые безымянные аккумуляторы такими свойствами не обладают. Известно много случаев самовозгорания гироскутеров и электросамокатов (почти всегда при зарядке). Все эти устройства безымянных китайских производителей были оснащены не менее безымянными аккумуляторами.

Как видно из ролика, при физическом повреждении аккумуляторы горят очень интенсивно и очень быстро. Потушить такое пламя вряд ли возможно. Но горят только заряженные аккумуляторы. При физическом повреждении разряженного аккумулятора ничего страшного с ним не произошло.

Увы, полностью разряженными литиевые аккумуляторы хранить нельзя — со временем напряжение на ячейках падает и если в результате длительного хранения напряжение упадёт с 3 вольт (напряжение, при котором защитная электроника считает аккумулятор полностью разряженным) до 2.5 вольт, начнётся невосстановимая деградация. Считается, что для длительного хранения аккумуляторы должны быть заряжены на 40%, но при таком уровне заряда они также представляют опасность в случае физического повреждения.

Несмотря на то, что литиевых аккумуляторов сейчас приходится по нескольку десятков на каждого жителя земли, горят они не очень часто, но опасность всё же есть.

Постарайтесь придерживаться простых правил:

1. Никогда не оставляйте устройства, стоящие на зарядке, без присмотра. Поставить дома заряжаться электросамокат или гироскутер и пойти гулять СОВЕРШЕННО НЕДОПУСТИМО и опасно!

2. Старайтесь не использовать устройства с безымянными аккумуляторами. Лучше потратить чуть больше денег и купить хороший пауэрбанк, электросамокат или пылесос, в которых гарантированно будут стоять аккумуляторы известного производителя.

3. Если вы долго не пользуетесь устройствами, не храните их с полностью заряженными аккумуляторами.

Источник

Почему взрываются литий-ионные аккумуляторы?

Представьте себе ситуацию: едите вы спокойно на своём электрифицированном вело, самокате или гироскутере, и тут, бабах — рвануло ваше драгоценное. литий-ионное аккумуляторное устройство! А может быть подобная «катастрофа» произошла при зарядке электронакопителя? В любом случае, такое обстоятельство может обескуражить кого угодно! Почему такое возможно? Вот как раз об это мы и поговорим в теме.

Почему взрываются литий-ионные батареи?

Если вашу литий-ионную аккумуляторную батарею обслуживает качественная плата управления батареей (BMS) штатной зарядки, если нет давления на элементы и саму АКБ, если имеет место надлежащая изоляция и герметизация, то вероятность того, что электронакопитель преподнесёт вам далеко не праздничный фейерверк, реально минимальна либо вовсе сведена к нулю.

Канули в лету те времена, когда батареи изготавливались с преимущественным содержанием кадмия и не могли похвастать высоким уровнем безопасности. В связи с этим возникает вполне резонный вопрос: почему при максимальной безопасности современных аккумуляторов, время от времени можно услышать от кого-то страшилки, о взорвавшихся чуть ли не в их собственных руках литий-ионных батареях?

В составе подобных изделий присутствуют анод и катод, а разделяет их пористый полимерный сепаратор. Что касается материалов, то в аноде часто используют графит, а в катоде, роль активного вещества играют оксиды переходных металлов с интегрированными в структуру кристалла ионами лития. Что касается электрохимической ячейки, то она заполнена электролитом. При стартовой зарядке, которую организовывает изготовитель, на аноде сформировывается защитный слой. Этим слоем выступает разложившийся электролит, оберегающий электроды от «встречи» с электролитом не разложившимся.

Итак, причины взрывоопасности литий-ионной батареи

1. Механическое повреждение ячейки. К примеру, вы могли уронить аккумулятор либо же удар по нём был нанесён каким-либо другим образом. В результате образуются повреждения внутренней структуры аккумулятора.

2. Заводской брак. Даже когда предприятия оснащены передовыми технологиями производства, никто из пользователей не защищён на 100% от того, что в его распоряжение может попасть откровенно бракованное изделие. Вот такой случай например: имеет место недостаточно ровная нарезка электродов либо же попал металл между анодом и катодом, что повлекло за собой повреждение пористого сепаратора.

Читайте также:  Ульяновск сколько стоит аккумулятор

3. Ситуация, когда дендриты лития «прорастают» через сепаратор. Такое недоразумение происходит если эксплуатировать накопитель при низких температурах, а также, когда пользователь подвергает АКБ чрезмерно быстрой зарядке и разрядке. Ионы лития элементарно не будут успевать внедряться в кристалл анода. По итогу, на аноде стартует образование кристаллов, влекущее за собой повреждение сепаратора.

Самой популярной причиной взрыва Li-ion накопителя, является короткое замыкание в электрохимической ячейке.

Как происходит самовозгорание аккумуляторной батареи?

Итак, КЗ в состоялось и дальше это даёт отмашку процессу нагрева батареи. Кода температура дойдёт до показателя 70-90 градусов, ионопроводящий защитный барьер на аноде начнёт разрушаться. Далее, литий интегрированный в анод, запустит реакцию с электролитом, а итогом этого мероприятия становится образование летучих газов: этилена, метана и т. п. Чувствуете чем пахнет? Совершенно верно — перед нами практически готовая взрывная смесь, только вот нет ещё главной составляющей для качественного возгорания — кислорода.

Весь этот гремучий состав, пребывая в закрытом герметичном корпусе, начинает интенсивно бурлить, а поскольку реакции экзотермические, то неизбежно будет возрастать температура и давление. Когда дойдёт до 180-200 градусов, материал катода начнёт принимать участие в реакции, что и приведёт к образованию того самого, нужного нам для удачного взрыва ингредиента — кислорода. Вот именно в этот момент и происходит возгорание со скачкообразным увеличением температуры. Параллельно, продолжает разлагаться электролит (300 градусов) и этот процесс, тоже выделяет тепло.

На заключительном этапе данного «злодейства», с остатками электролита вступает в реакцию и графит, что приводит к ещё большему повышению температуры — это приблизительно 600 градусов. Такой накал влечёт за собой расплавление токоприёмника изготовленного из алюминия.

Наиболее опасным веществом в составе литий-ионных батарей является электролит, который разлагается на эти самые, превосходно воспламеняющиеся газы. На данный момент очень много учёных работают в этом направлении, но пока достойной альтернативы взрывоопасному электролиту не найдено.

Другие причины взрыва литий-ионной батареи

Конечно, короткое замыкание в электрохимической ячейке, является самой частой причиной самовоспламенения электронакопителя, но в то же время, есть и ряд других обстоятельств, которые также могут привести к печальным последствиям:

Что делают производители, чтобы защитить свою продукцию от самовозгорания?

Вполне логично, что разработчики в курсе дела, в отношении взрывоопасности литий-ионных электроаккумуляторов, поэтому и предусмотрели сразу несколько степеней защиты от подобных неприятностей. Чем мощнее АКБ, тем больше её защищают.

Взять к примеру сепаратор, он при точечном повышении температуры становится непроницаемым, не давая таким образом развиваться дендритам в этом участке аккумулятора. Однако если процесс движется вперёд неудержимо, то сепаратор может просто-напросто расплавиться. Есть ещё встроенные в батарею клапана и предохранители. Клапан предназначен для того, чтобы выпускать скопившиеся внутри аккумулятора газы, а вот предохранители отвечают за то, чтобы в случае чего, отключить электроды от сети. В составе Li-ion АКБ также присутствуют контроллеры, балансиры заряда, сенсоры и т. д.

Что нужно делать, чтобы избежать самовоспламенения аккумуляторной батареи?

1. Приобретайте продукцию известных и положительно зарекомендовавших себя брендов — это прежде всего, так как если попадётся дефективное дешёвое изделие, то потом вы ничего уже сделать не сможете — считайте, что сидите на «пороховой бочке».

2. Не подвергайте батарею тепловым и механическим воздействиям, не прокалывайте и не деформируйте её.

3. Не нужно разбирать электронакопитель, если не знаете как правильно это делать и особенно, если это делать вообще незачем.

4. Потёкший либо вздувшийся аккумулятор эксплуатировать нельзя: отсоедините его от потребителя соблюдая при этом осторожность, чтобы избежать короткого замыкания на контактах батареи.

5. Для зарядки Li-ion АКБ, применяйте только оригинальные зарядные приспособления.

Итак, что мы имеем: оказывается литий-ионные аккумуляторные батареи действительно могут взрываться как бомбочки, но просто так, этого произойти не может — здесь нужны определённые условия. По этой причине, нужно приобретать исключительно качественные изделия, оснащённые всем необходимым, чтобы не допустить самовозгорания АКБ. Кроме того, литий-ионная батарея требует правильной эксплуатации и бережного отношения к себе. Придерживайтесь всего перечисленного и неприятных сюрпризов от высокоэффективного литий-ионного аккумулятора вы не дождётесь!

Читайте также:  Цифровой фотоаппарат со встроенным аккумулятором

Источник

Механизм взрыва литиевых аккумуляторов удалось подавить

ТАСС, 14 октября. Химики из США выяснили, как внутри литиевых аккумуляторов возникают так называемые «усы» — микроскопические нити из металлического лития, которые вызывают короткие замыкания и провоцируют взрыв батареи. Это поможет создать полностью безопасные батареи, пишут ученые в журнале Nature Nanotechnology.

«Мы не просто хотели подавить рост отдельных «усов», а понять, что именно порождает их, и ликвидировать общую причину их появления. Я надеюсь, что наше открытие заставит все сообщество иначе взглянуть на эту проблему и найти новые пути для борьбы с ней», — заявил один из авторо работы, Чунминь Ван из Северо-западной Национальной лаборатории в Ричланде (США).

Современные аккумуляторы состоят из трех частей — катода, анода и электролита. Первый играет роль положительного полюса и источника энергии, второй — отрицательного полюса и «изымателя» тока, а электролит позволяет носителям заряда передвигаться между катодом и анодом. Мощность аккумуляторов напрямую зависит от состава катода, а их долговечность — от того, как сильно разрушается материал электролита и катода при циклах разряда-заряда.

От устройства всех компонентов батареи зависит и то, насколько они опасны для человека. К примеру, многие типы современных литий-ионных аккумуляторов взрываются из-за того, что при перегреве внутри них начинают возникать короткие замыкания. Они еще больше нагревают аккумулятор, испаряют электролит, превращая его в пузырьки горячего газа.

Эта своеобразная цепная реакция раскаляет внутренности бывшей батареи до температуры примерно в тысячу градусов Цельсия. В конечном итоге скапливающийся газ разрывает корпус аккумулятора на части и происходит взрыв, выбрасывающий расплавленное содержимое батареи наружу. В результате телефон или другой гаджет повреждаются и могут нанести тяжелые увечья его владельцу.

Все эти процессы, как объясняет Ван, связаны с формированием так называемых «усов» — тонких и очень длинных нитей из чистого металлического лития, которые могут проникать через электролит и барьер между катодом и анодом. В некоторых случаях они соединяют их между собой, формируя короткое замыкание и порождая все те реакции, которые ведут к взрыву аккумулятора.

Батарея с «усами»

Как именно формируются «усы», ученые не знали, так как у них не было возможности заглянуть внутрь батареи и проследить за тем, что изменяется в ее структуре непосредственно перед началом цепной реакции и выходом аккумулятора из строя. Американские химики смогли решить эту проблему, создав своеобразную «нанобатарейку», в которой роль анода играло жало атомно-силового микроскопа, а катода — кусочек металлического лития.

Пропуская ток через анод и поднимая его, ученые одновременно решали две задачи — они помогали литиевым «усам» на катоде формироваться и заставляли их расти в сторону жала атомно-силового микроскопа. Кроме того, исследователи изучали структуру этих металлических нитей и наблюдали за манерой их роста.

Эти опыты помогли ученым раскрыть несколько важных особенностей этого процесса, которые нужно учитывать при создании действительно полностью безопасных литий-ионных батарей, а также первых полноценных аккумуляторов на базе чистого металлического лития.

К примеру, химики обнаружили, что «усы» растут очень быстро, двигаясь со скоростью 250 нанометров в секунду в сторону противоположно заряженного электрода. Между тем место их формирования и манера движения сильно зависели от структуры кристаллов лития, наличия соединений углерода в электролите и устройства поверхности самих электродов. Знание этих особенностей, как отмечает Ван, позволяет предсказывать манеру роста «усов» и предотвращать их контакт с анодом или катодом.

Пользуясь этими сведениями, ученые смогли подавить формирование «усов», добавив в электролит циклогексанон, слаботоксичное соединение кислорода и бензола с ароматом мяты. Дальнейшие наблюдения за ростом нанонитей из лития, как надеются химики, помогут подобрать более эффективные способы борьбы с ними и создать действительно безопасные аккумуляторы.

Источник