Почему литиевые батареи Samsung взрываются и как они могут изменить электронику
Недавно Samsung выпустил отзыв для Galaxy Note 7 после того, как несколько пользователей сообщили об авариях и взрывах батареи. Что сделало это действие необходимым и почему литий-ионные батареи имеют такую плохую репутацию, что могут вызвать пожары?
Великий отзыв
Samsung объявила, что все устройства Galaxy 7 Note следует отзывать, так как пользователи сообщают о перегреве батарей, пожарах и даже взрывах. Galaxy 7 Note был выпущен 2 сентября (предварительные заказы с 16 августа) и был только на полках в течение месяца. Однако это не означает, что все устройства Samsung опасны, так как в США было сделано 92 отчета из 1 миллиона устройств.
Тем не менее, эти инциденты получили много внимания со стороны средств массовой информации, учитывая, что ущерб, причиненный устройствами, был достаточным, чтобы сжечь людей и вызвать пожары (как выяснил один человек, когда он оставил свою записку 7 в своей зарядке Jeep).
Но почему эти батареи ловят огонь? Что это за литий-ионные батареи, которые делают восприимчивым к такому взрывоопасному концу? Чтобы ответить на эти вопросы, нам нужно понять, как работает литий-ионная батарея.
Литий-ионные аккумуляторы
Как и большинство батарей, литий-ионные батареи состоят из трех основных частей: анода (+ клемма), электролита и катода (-).
В литий-ионных батареях анод обычно изготавливают из оксида литий-кобальта (новые батареи могут использовать литиевый фосфат железа), а катод состоит из углерода. Электролит в таких батареях должен иметь возможность передавать положительные ионы между электродами, но быть изолятором к электрическому току (электронный поток). Электролиты различаются между батареями, но обычно являются литиевыми солями в органическом растворителе.
Простой вырез литий-ионной батареи. Изображение предоставлено Tkarcher (собственная работа) (CC BY-SA 3.0)
Цикл зарядки
Когда заряжается литий-ионная батарея, ионы лития удаляются из анода и внедряются в пористый углеродный катод. В то же время электроны от анода удаляются, и электроны перетекают к катоду, где они связывают с ионами лития, чтобы осадить литий-металл в углерод.
Цикл разряда
Во время цикла разрядки (когда на клеммах аккумулятора подключена нагрузка) электроны с катода притягиваются к аноду, что приводит к тому, что внедренные ионы лития в углеродном катоде проходят через электролит и обратно к аноду, где снова объединяются с электронами для образования металлического лития.
Поток электронов и поток ионов в электролите дополняют друг друга, и процесс заряда может возникать только в том случае, если оба процесса активны. Если остановиться (например, поток электронов), то будет и другой процесс (в данном случае ионный поток).
перегревание
Так почему литий-ионные батареи имеют плохую привычку перегреваться и ловить огонь?
Проблема сводится к двум факторам:
- Скорость осаждения ионов лития на углеродном катоде
- Температура батареи
Когда заряжается литиевая батарея, ионы Li необходимо встроить в катод, который известен как интеркаляция. Этот процесс очень важен, поскольку вместо осаждения металлического лития на поверхность катода ионы лития проникают в пористые области катода.
Если литий-ионный аккумулятор заряжается слишком быстро, то ионы Li осаждаются на поверхности катода в виде литого литого материала вместо того, чтобы задерживать пористые области. Это серьезно, так как расстояние между двумя пластинами в типичной литий-ионной батарее очень мало (измеряется в мм). По мере того, как слой с литиевым покрытием становится толще, он может в конечном итоге соприкасаться с анодом, который создает короткое замыкание.
Гальваника показывает, как катод увеличивается в физическом измерении
Это короткое замыкание может привести к большому количеству токового разряда, который нагревает аккумулятор. По мере того, как батарея нагревается, она рискует попасть в тепловое убегание, когда повышение температуры делает реакцию протекающей быстрее, которая возвращается назад к повышению температуры. Это может привести к тому, что камера курит, воспламеняется и даже взрывается.
Итак, как преодолеть такую проблему?
Ответ включает электронику, которая постоянно контролирует температуру, напряжение и ток батареи. Во время зарядки аккумулятор тщательно контролируется, а зарядный ток остается низким. Это преднамеренно увеличивает время зарядки аккумулятора, но приводит к отсутствию литиевого покрытия на катоде. Когда батареи используются, контроллер может продолжать измерять температуру батареи и закрывать ячейки, если это необходимо для предотвращения дальнейшего повреждения.
Литий-ионные взрывчатые вещества
Ситуация с Samsung и их потенциально опасными батареями не нова. На самом деле, очень часто слышно о батареях с литий-ионным аккумулятором, вызывающих повреждения и пожары, в том числе навесные устройства, Apple iPhone и даже ноутбуки.
Итак, почему эти батареи все еще используются, если они могут представлять реальную опасность?
Короче говоря, мы продолжаем использовать литий-ионные батареи, потому что они имеют ряд преимуществ по сравнению с другими перезаряжаемыми батареями и обычными батареями.
Во-первых, литий-ионные аккумуляторы являются перезаряжаемыми, в отличие от обычных батарей, которые вы можете найти в некоторых камерах, пультах и игрушках.
Во-вторых, литий-ионные батареи не страдают от явления, называемого «эффектом памяти», а также других перезаряжаемых батарей (таких как NiMH и NiCd). Проще говоря, эффект памяти заключается в том, что батарея теряет способность хранить заряд, если он не полностью разряжен, прежде чем заряжаться снова.
Литий-ионные батареи также легки и имеют более высокую плотность энергии по сравнению с другими перезаряжаемыми технологиями. Это делает литий-ионным выбором для портативных устройств, электроинструментов и даже электромобилей.
Прочитайте больше
- Конструкция батареи: батареи и энергосистемы
- Как литий-металл удваивает плотность энергии аккумуляторных батарей
- Новая химия жидкой батареи может стать игровым чейнджером
Резюме
Литий-ионные батареи сильно используются для их свойств по плотности и плотности энергии, но это связано с тем, что некоторые из этих батарей могут выйти из строя и привести к повреждению.
Если частоты будут продолжаться с неисправными литий-ионными батареями, то это может быть недолго до того, как вмешательство правительства может изменить правила с такими источниками энергии.
Новые технологии, более интеллектуальные устройства и более качественные материалы могут снизить риск отказа таких устройств, но эти изменения могут возникнуть скорее раньше, чем позже, потому что это не заставит себя долго ждать, пока кто-то серьезно пострадает от одного из этих источников энергии.