מדוע הסוללות מתפוצצות

המשתמשים בסמארטפונים וטאבלטים מודעים כמובן לסכנת הפיצוץ של סוללות ליתיום בגאדג'טים שלהם. ודוגמאות בולטות לא חייבות להרחיק לכת. לאחרונה, למשל, סמסונג התמודדה עם בעיה כואבת באופן אישי, ונאלצה למשוך את הסדרה הראשונה של ה- Note 7 החדשה, מכיוון שהסוללות התפוצצו ממש בתהליך הטעינה. כך או אחרת, הבעיה נותרה זהה מתחילת הופעת הטלפונים הסלולריים: אפילו בשנת 2016 אסר ICAO משלוחים מסחריים בתאי המטען של התחבורה האזרחית. סוללות ליתיום.

תמצית הבעיה בסוללות ליתיום

העובדה היא שבתהליך טעינת סוללת ליתיום במכשיר נייד, באמצעות המיקרו-בקר המובנה בתוך הסוללה, מיושם אלגוריתם די מסובך ליישום תהליך זה כך שטמפרטורת הסוללה אינה חורגת מתחום הטמפרטורה המקובל. הבקר מנטר לצורך זה פרמטרים רבים של הסוללה במהלך טעינה.

בנוסף לתהליך הטעינה עצמו, אחסון המצבר מצריך גם עמידה בכללים מסוימים, במיוחד לגבי טמפרטורה: אינכם יכולים להתחמם יתר על המידה או לקרר את הסוללה מחדש.

הבעיה העיקרית לגרום להתפוצצות של סוללות היא חימום מופרז של האלקטרוליט בגלל חריגה מהטמפרטורה המותרת או בגלל קצר חשמלי בתוך תא הסוללה. תגובת השרשרת מופעלת בקלות בתוך התא המחומם יתר על המידה, מכיוון שהליתיום המתכת האלקלי נלקח בקלות רבה וכתוצאה ממנו הסוללה מתנפחת ובמקרה הגרוע היא מתפוצצת.

ואפילו למרות נוכחותו של בקר "קשוב", פגם מקרי במפעל (עובי בלתי מספיק של המבודד בין התאים) יכול להתרחש ולהוביל לתוצאות עצובות.

כמובן, הלם, התמוטטות, פיסוק, התחממות יתר בשמש הם מסוכנים. גם אם הסוללה נפלה ופגעה קלות, יתכן והתמוטטות מבודד התרחשות בפנים, ובעתיד זה עלול להוביל לבעיה פתאומית, גם ללא התחממות יתר ברורה.

הסיבה לפיצוץ עבור סוללות ליתיום

האנודה והקתודה של סוללת הליתיום-יון מופרדות על ידי מפריד פולימרים נקבובי. בקתודה יש ​​חומר פעיל עליו משתמשים לעיתים קרובות תחמוצות של מתכות מעבר, בהן מוטבעים יוני ליתיום. האנודה בדרך כלל היא גרפיט. פיתרון אורגני של מלחי ליתיום משמש כאלקטרוליט.

במהלך המטען הראשון במפעל, הליתיום מובנה בתוך האנודה ושכבה של צורות אלקטרוליט מתפרקות על האלקטרודות, המשמשת כיום כהגנה מפני תגובות מיותרות, תוך שמירה על הולכת יונים.

כאמור לעיל, מעגל קצר פנימי הוא אחד הגורמים העיקריים להצתה עצמית של הסוללה. הגורם לקצר עצמו עשוי להיות נזק פיזי או ליקויים במפעל, כמו חיתוך לא אחיד של האלקטרודות או חדירת חלקיקי מתכת בין הקתודה לאנודה, המפרים את שלמות שכבת המפרידה.

סיבה נוספת לסגירה היא צמיחת שרשראות מתכת ליתיום דרך המפריד (אם ליוני הליתיום במפעל לא היה מספיק זמן להשתלב במלואו בגביש האנודה עקב טעינה מהירה מדי או מצינון יתר, או אם קיבולת החומר הפעיל בקתודה גדולה יותר מהיכולת של האנודה, מה שמוביל לנקודות על האנודה, שצומחת אט אט אך ללא הפרעה).

כך שאם קרה קצר חשמלי, טמפרטורת הסוללה מתחילה לעלות וכשהיא מגיעה ל- 70-90 מעלות צלזיוס מתחיל הפירוק של שכבת מוליך היונים המגן של האנודה. האנודה ליתיום מגיבה בעזרת אלקטרוליט, ואילו משתחררים פחמימנים דליקים כמו אתילן, מתאן, אתאן וכו '.אבל מוקדם מדי לפני השריפה, כי אין מספיק חמצן.

בינתיים התגובה האקוטרומית פועלת והטמפרטורה עולה, הלחץ בתוך מארז הסוללה עולה. בטמפרטורה של 180-200 מעלות צלזיוס, תגובת הפרופורציה מתחילה בקתודה, שם משתחרר חמצן. הצתה מתרחשת, הטמפרטורה עולה בחדות והאלקטרוליט מתפרק תרמית, הטמפרטורה היא כבר 200-300 מעלות צלזיוס.

לבסוף, זהו תורו של הגרפיט, וכשהטמפרטורה מגיעה ל 660 מעלות צלזיוס, האלומיניום של האספן הנוכחי מתחיל להימס. הטמפרטורה המקסימאלית בתהליך זה בדרך כלל אין זמן לעבור 900 מעלות צלזיוס, מכיוון שהכל מסתיים במהירות בפירוק מוחלט של הרכיבים הפנימיים של הסוללה.

כבר היום יש הצלחה במציאת פיתרון לבעיה

כדי לפתור את הבעיה, יצרני הסמארטפונים יכולים להדק את הרגולציה, לבצע נתיכים נוספים במכשירים ובסוללות, לסבך בקרים, אך הדבר יגדיל את עלות הסוללות ואת כל המוצרים המגיעים עם סוללה. חברות מתחרות זו בזו, ופשוט מבחינה כלכלית לא יכולות לעשות זאת.

בתוך כך, פיסיקאים מסטנפורד נלחמים על בטיחות סוללות הליתיום, אשר בקיץ 2015 פיתחו מנגנון הגנה מיוחד המובנה בתוך הסוללה כבר בשלב הייצור.

למעשה, אנו מדברים על סוג חדש של סוללות ליתיום, אשר נכבות אוטומטית כאשר החלק הפנימי שלהן מגיע לטמפרטורה שעלולה להיות מסוכנת (אשר מונעת את התהליך המוביל לשריפה שלאחר מכן), ואחרי זמן מה, לאחר הקירור, הן נדלקות אוטומטית.

מחברי הפיתוח טוענים כי מדובר בסוללת הליתיום הראשונה שיכולה לכבות שוב ושוב מבלי לאבד את תכונותיה וביצועיה.

הפיתוח בוצע במשך מספר שנים על ידי צוות של כמה אנשים (כולל ג'נן באו), כתוצאה מכך סוללה נטולת שני חסרונות עיקריים - ירידה חדה בקיבולת הסוללה לאחר מספר מחזורי טעינה, וחשוב מכך, נטייה לירי ופיצוץ עקב התחממות יתר ( תגובת השרשרת נעצרת אוטומטית).

ההחלטה הגיעה למדענים מתחום אחר לגמרי בפיזיקה. הם ייצרו מדי חום באמצעות חלקיקים מחומרים ניקל המשובצים בסדין דק של גרפן ופלסטיק. אלה היו מדחומים יוצאי דופן. במנוחה, חלקיקי הניקל היו במגע זה עם זה, כלומר הושג מוליך זרם טוב. אך כאשר הסדין התחמם, הפלסטיק החל להתפשט מעט, מה שהביא להחלשת המגע בין חלקיקי הניקל המוליכים, וההתנגדות של המוליך כולו גברה.

נכס זה שימש חוקרים מסטנפורד להגנה אוטומטית מיידית על סוללות ליתיום ולשיקום אוטומטי מלא של המגע לאחר הקירור. הם הדביקו גיליון מפלסטיק כזה לאחת האלקטרודות של הסוללה כך שתאבד מוליכות עם עליית הטמפרטורה. וכאשר הטמפרטורה מגיעה ל -70 מעלות צלזיוס

אך למרות הפיתרון, יצרני המכשירים הניידים עדיין לא מעזים לשנות באופן דרסטי את טכנולוגיית הייצור של הסוללות שלהם שפותחה במהלך השנים. לכן, משתמשי הגאדג'טים יצטרכו להשלים עם הסכנה הפוטנציאלית של סוללות ליתיום למשך זמן מה, ולנסות לא להוריד או לחמם יותר מדי את המכשירים הניידים שלהם, ובעיקר את המצברים. אולי בעתיד הקרוב הבעיה תיפתר לחלוטין.

ראה גם: שימוש נכון בסוללות ליתיום-יון

Comments

[#1 רוסלן]

"חימום מוגזם של האלקטרוליט עקב חריגה מהטמפרטורה המותרת" - tuftalogichny tuftalogika tuftalogii.