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.

https://masterok.livejou...