Почему взрываются батареи смартфонов

Почему взрываются батареи смартфонов

Взрыв смартфонов чаще всего расценивают как несчастный случай, но одни и те же химические реакции, заложенные в основу работы батареи, могут сделать их склонными к возгоранию. Samsung получила свой собственный горький опыт, став жертвой одной из недавних кампаний по отзыву дефектных устройств, – в нашем случае, — её новый смартфон Galaxy Note7, по причине того, что его аккумуляторы могут быть взрывоопасными.

Когда аккумуляторы взрываются, чаще всего это вина производителя, халатно отнёсшегося к проверке компонентов на возгорание. Взрывающиеся батареи могут быть следствием действий чрезмерно нетерпеливых компаний в их желании выжать последние соки из имеющихся технологий. Поскольку наши экраны становятся всё больше, а смартфоны с каждым разом всё мощнее, они нуждаются в большем количестве энергии, но многие из нас не желают жертвовать временем работы устройства и быстрой зарядкой.

По данным Линдена Арчера (Lynden Archer), ученого-материаловеда из Корнельского университета (Cornell University), мы уже достигли почти 90% максимального ресурса батареи от теоретически возможного для литий-ионных аккумуляторов, поэтому производители всевозможными способами пытаются расширить пределы возможностей лишь бы добавить хоть немного энергии. «Это стало чем-то вроде гонки вооружений, когда каждый производитель смартфона желает получить самый высокий срок автономной работы аккумулятора», — говорит он. — «Этот тренд в области производства всё больше и больше усиливает тенденцию к чрезмерной нагрузке на батарею, поэтому все эти примеры отказов в работе становятся всё более распространенным явлением».

Samsung объясняет отзыв Galaxy Note7 тем, что в некоторых устройствах две части батареи, которые ни при каких обстоятельствах не должны были соприкасаться, начинали контактировать друг с другом. На самом деле существует много распространенных способов разрушить литий-ионный аккумулятор, и обычно это происходит потому, что мы постоянно требуем слишком многого от наших устройств. (Аккумуляторы литий-ионного типа практически повсеместно используются в смартфонах и различных электронных гаджетах. Инженеры используют литий, потому что он легкий и может удерживать большое количество энергии).

Как мы уже сообщали ранее, в Samsung подчеркнули, что сообщения о проблемных батареях составляют менее 0,1% (24 устройства на 1 млн) от общего объёма проданных устройств; при этом нет никаких сомнений, что глобальный отзыв — это больше, чем просто небольшая заминка для гиганта потребительской электроники. Note7 вышел всего несколько недель назад и был встречен в основном положительными отзывами.

Не менее важно то, что Samsung удалось создать ажиотаж на рынке смартфонов за несколько недель до того, как Apple запустила свой новый долгожданный iPhone. Теперь же, успешный запуск продаж Samsung был омрачён взрывами батарей.

Чтобы понимать, что делает аккумуляторы безопасными, полезно знать, как они работают. Есть два электрода или электрических проводника, расположенных на противоположных сторонах батареи. Один электрод содержит положительно заряженные ионы и называется катодом. Катод наполнен литием (если точнее наноструктурированным катодным материалом (литий-железо-фосфатом LiFePO4)) и именно в нём хранится «топливо» аккумулятора. Противоположный электрод содержит отрицательно заряженные ионы и называется анодом.

part_1_1_ed

Во время зарядки ионы лития перемещаются от катода к аноду. Когда батарея находится в режиме эксплуатации, частицы лития движутся в противоположном направлении. Пространство между электродами заполнено химическим веществом, называемым электролитом, которое проводит ток, способствуя более легкому перемещению ионов между двумя электродами. Не смотря на то, что ионы должны двигаться из стороны в сторону, анод и катод сами никогда не должны касаться друг друга, в противном случае они будут перенаправлять энергию электролиту. Чтобы предотвратить это явление, производители аккумуляторов помещают между ними разделители.

Причиной инцидента с Galaxy Note7 стали неправильно подобранные разделители, вследствие чего оба электрода начинали касаться друг друга (оказались закорочены). «Это худший вариант из всех возможных ошибок, поскольку, это, безусловно, может привести к пожару и даже взрыву», — говорит Арчер. Когда электроды соприкасаются, вся вырабатываемая энергия нагнетается в аккумуляторе и уходит непосредственно в электролит вместо контактов электродов.

Стоит напомнить, что электролит сам по себе не очень стабилен и предназначен для улучшения проводимости потока ионов, что также приводит к дополнительной нестабильности. При большом выделении тепла — будь то из-за соприкосновения двух электродов, или, к примеру, из-за высокой температуры окружающей среды — это может привести к тому, что электролит вступает в реакцию с другими химическими веществами и происходит выделение газа, таким образом, высвобождается ещё большее количество тепла. Каждый раз, когда химические вещества вступают в реакцию, газы выделяют всё больше и больше тепла, температура начинает расти всё быстрее и быстрее. Это создает неконтролируемую положительную обратную связь (т.н. «тепловой разгон аккумулятора»), которая может привести к пожару.

Именно поэтому многие смартфоны автоматически отключаются, при высоких температурах. Но существуют и другие причины, из-за которых батареи становятся взрывоопасными. Они также могут выходить из строя, когда заряжаются выше установленного лимита или заряд аккумулятора происходит слишком быстро.

Перезаряд аккумулятора можно сравнить с заполнением ведра водой. Неважно, с какой скоростью вы льёте, важнее не налить слишком много, иначе ведро будет переполнено. В случае батареи перезаряд случается, когда слишком много лития переходит в анод. Это не означает, что вы рискуете передержать телефон, оставив его подключенным на всю ночь — в большинстве батарей предусмотрено автоматическое предотвращение перезаряда. С большей долей вероятности, это оплошность производителя, которая может проявиться, когда схема, призванная предотвратить данную ситуацию, неисправна.

Дэн Штеренгарц (Dan Steingart), профессор Принстонского университета, сравнивает аккумуляторную батарею с резиновой лентой: когда вы заряжаете аккумулятор, вы растягиваете эту ленту; когда используете его — отпускаете. Также как резиновая лента может разорваться, если её слишком сильно растянуть, слишком большое количество энергии на одной стороне может разрушить батарею.

Исходя из вышесказанного, проблема случившегося с Galaxy Note7 кроется в завышенной скорости. Это означает, что производитель пытался установить слишком высокий уровень заряда аккумулятора для так называемой «технологии быстрой зарядки», которая представляет собой опасность для батареи. (Хотя проблемы теоретически здесь быть не должно, в арсенале Samsung есть собственные технологии быстрой зарядки). Если же зарядное устройство по какой-то причине несовместимо с аккумуляторной батареей, то батарею также может замкнуть. Этого можно избежать, убедившись, что зарядное устройство и батарея предназначены для совместной работы (пожалуй, здесь стоит вспомнить инцидент с китайской стюардессой, погибшей от удара током во время зарядки iPhone несертифицированным ЗУ).

Превышение уровня или слишком высокая скорость заряда могут привести к проблеме под названием «металлизация». Представьте себе, что аккумулятор — это два лотка из-под куриных яиц. Ионам лития необходимо курсировать из ячейки в ячейку между этими двумя лотками, чтобы надежно сохраняться внутри, — говорит Штеренгарц. Если вы заряжаете аккумуляторную батарею медленно, у лития есть время, чтобы найти свое место в ячейках лотка пока он перемещается туда-сюда. Но при слишком быстром или слишком большом заряде литий начнёт оседать на внешней стороне яичного лотка, а позже и на этих отложениях. Со временем, каждый раз, когда вы подзаряжаете свой гаджет, литий начинает откладываться («намывается») сам на себя и образует игольчатые структуры, называемые дендритами, которые могут вызывать внутреннее короткое замыкание аккумулятора.

Последний, достаточно распространённый случай выхода из строя случается, когда компании пытаются сделать более ёмкие аккумуляторы, накапливающие больше энергии за счет увеличения напряжения. Напряжение является способом измерения электродвижущей силы. Представьте, что напряжение — это высота водопада, в то время как ток — это количество воды. Чем выше напряжение, тем больше мощность аккумулятора, поэтому производители стараются «накачать» его добавлением в литий таких элементов, как никель. Но, опять же, чем выше напряжение, тем выше вероятность того, что электролиты вследствие таких действий могут смешаться, что приведёт к их возгоранию.

Некоторые ученые работают над созданием электролита особого типа, который не будет так легко воспламеняться. «Эти электролиты, называемые «ионными жидкостями» требуют намного больше тепла, чтобы начать выделять легковоспламеняющийся газ», — рассказывает Сурья Моганти (Surya Moganty), химик-инженер и главный сотрудник по информационным технологиям компании Nohms Technology. «Зачастую они гораздо безопаснее, но и здесь могут быть проблемы со временем работы аккумулятора», — говорит он.

Однако, пока эти технологии недоступны, большинство из нас застряли с литий-ионными батареями. «Сам факт того, что эти работы являются «чудом инженерной мысли», — говорит Штеренгарц, — не решит проблему нестабильности устройства. Всё, что может вместить в себя так много энергии, и при этом вы потенциально можете получить всю энергию за пару минут, следует рассматривать как потенциальную бомбу независимо от того, из чего оно сделано», — добавляет он.

Аккумуляторные технологии постоянно развиваются, но не столь стремительными темпами как наше желание получить более быструю подзарядку и более длительный срок службы батареи в одном флаконе — а это уже проблема, которая должна лечь на плечи производителей, обязанных помнить об этом и защищать нас от наших же безудержных желаний.

По материалам The Verge