Ličio jonų akumuliatorių sprogimo priežastys ir prevencija

Nors atrodo, kad telefono sprogimas - tikra keistenybė, reikia pasakyti, kad cheminės reakcijos, užtikrinančios akumuliatoriaus veikimą, lygiai taip pat gali sukelti ir degimo procesą. Akumuliatorių sprogimai yra rimta problema, kurią svarbu suprasti, siekiant užtikrinti naudotojų saugumą ir užkirsti kelią katastrofiškiems incidentams.

Kaip veikia ličio jonų akumuliatorius?

Norint suprasti, kaip užtikrinti akumuliatoriaus saugumą, būtina žinoti, kaip jis veikia. Ličio jonų akumuliatoriai naudojami beveik visuose išmaniuosiuose telefonuose ir elektronikos įrenginiuose. Litį inžinieriai pasirinko todėl, kad jis lengvas ir gali išlaikyti nemažai energijos. Priešingose pusėse yra du elektrodai arba, kitaip sakant, elektros laidininkai.

• Vienas elektrodas generuoja teigiamus jonus ir yra vadinamas katodu. Katodas yra pripildytas ličio ir čia kaupiama energija.
• Priešingoje pusėje esantis elektrodas generuoja neigiamus jonus. Jis vadinamas anodu.

Kai akumuliatorius įkraunamas, ličio jonai keliauja iš katodo į anodą. Kai akumuliatorius naudojamas, ličio dalelės juda priešinga kryptimi. Viduryje yra cheminiai junginiai, vadinami elektrolitais, kurie praleidžia srovę padėdami jonams lengviau nukeliauti iš vienos pusės į kitą. Nors jonai ir turi judėti iš vieno galo į kitą, anodas ir katodas susiliesti negali, nes jie nukreiptų energiją elektrolitams. Kad taip neatsitiktų, akumuliatorių gamintojai tarp katodo ir anodo įterpia tam tikrus separatorius.

Pagrindinės akumuliatorių sprogimo priežastys

Ličio jonų akumuliatorių sprogimai gali atsirasti dėl įvairių veiksnių, tokių kaip per didelis įkrovimas, fizinė žala, gamybos defektai arba ekstremalios temperatūros poveikis.

1. Per didelis arba per greitas įkrovimas (perkrovimas)

Per didelė arba greita įkrova yra viena iš dažniausių ličio baterijų sprogimų priežasčių. Kai akumuliatorius perkraunamas, atsiranda per didelis srovės srautas, dėl kurio ličio jonai ant anodo kaupiasi netolygiai. Dėl šio netolygaus nusodinimo susidaro dendritai arba adatos panašios struktūros, kurios gali pramušti separatorių tarp elektrodų ir sukelti vidinius trumpuosius jungimus.

Kaskart įkraunant akumuliatorių, formuojasi į adatas panašios ličio ataugos, kurios gali sukelti akumuliatoriaus trumpąjį jungimą. Šiluminio pabėgimo ir sprogimo rizika toliau didėja, nes šie dendritai ir toliau auga su vėlesniais įkrovimo ciklais.

Įvykus elektrodų kontaktui, visa į akumuliatorių patekusi energija nukreipiama tiesiai į viduryje esančius elektrolitus, o ne į skirtinguose galuose esančius elektrodus. Elektrolitai nepasižymi ypatingu stabilumu, o jų paspartintas judėjimas taip pat mažina stabilumą. Kai temperatūra gana aukšta (pavyzdžiui, įvykus dviejų elektrodų kontaktui arba tiesiog todėl, kad yra karšta), elektrolitai gali sureaguoti su kitais cheminiais elementais. Tada susidaro dujos ir išskiriama dar daugiau šilumos. Kaskart įvykus cheminei reakcijai, dujos išskiria vis daugiau ir daugiau šilumos. Šis procesas vyksta vis sparčiau ir sparčiau. Taip sukuriamas nekontroliuojamas teigiamos energijos ciklas - nekontroliuojamas šilumos kilimas, galintis baigtis užsidegimu.

Jei apsaugos mechanizmas, neleidžiantis perkrauti akumuliatoriaus, nesuveikia, kaltę turėtų prisiimti akumuliatoriaus gamintojas. Per daug įkrauti - tai tas pats, kas pilti į kibirą per daug vandens. Nesvarbu, ar vandenį pilsite greitai, ar net labai lėtai, - kai kibiras bus pilnas, vanduo ims lietis per kraštus.

2. Šiluminis pabėgimas (Thermal Runaway)

Ličio jonų baterijos gali sprogti dėl proceso, vadinamo šiluminiu pabėgimu (angl. thermal runaway), vykstant reakcijai akumuliatoriaus viduje. Šiluminis pabėgimas yra teigiamo energijos grįžtamojo ryšio ciklas: padidėjus temperatūrai sistema įkaista, o sistema įkaista ir padidėja temperatūra, o tai savo ruožtu daro sistemą karštesnę. Aukšta temperatūra sukelia nekontroliuojamas egzotermines reakcijas. Kai vidinė temperatūra pasiekia 200-300 °C, suveikia grandininė reakcija, vadinama šiluminiu pabėgimu.

Dėl ilgo įkrovimo, aukštos temperatūros švitinimo ir kaitinimo akumuliatoriaus temperatūra gali būti per aukšta, pasiekti ribą. Būtent todėl daugelis telefonų, pasiekę labai aukštą temperatūrą, automatiškai išjungiami.

3. Trumpasis jungimas

Yra ne vienas būdas, kaip sukelti įkraunamojo ličio jonų akumuliatoriaus trumpąjį jungimą. Paprastai taip nutinka tada, kai įrenginiams keliami per aukšti reikalavimai. Vidinis trumpasis jungimas daugiausia lemia vario folijos ir aliuminio folijos atplaiša arba ličio atomų kristalinis išlinkimas. Šie maži adatiniai metalai gali sukelti trumpąjį jungimą.

Išorinio trumpojo jungimo atveju akumuliatorius ir elektroniniai prietaisai nesugeba išjungti grandinės, ląstelės viduje atsiras didelė šiluma, dėl kurios garuos kai kurie elektrolitai, o akumuliatoriaus korpusas bus didelis.

Trumpasis jungimas gali kilti ir dėl akumuliatoriaus talpos didinimo didinant įtampą. Kuo aukštesnė įtampa, tuo labiau tikėtina, kad dėl elektrolitų derinių akumuliatorius užsidegs. Taip pat, jei kroviklis kuriuo nors aspektu bus nesuderinamas su akumuliatoriumi, gali kilti akumuliatoriaus trumpasis jungimas.

4. Fizinė žala

Fizinė žala tebėra dar vienas reikšmingas ličio baterijų sprogimų kaltininkas. Smūgis ar pradūrimas į akumuliatorių gali sukelti vidinius trumpuosius jungimus jo struktūroje. Pažeidus akumuliatoriaus korpusą, reaktyvūs komponentai, pvz., elektrolitai, patenka į orą ar kitas aplinkoje esančias medžiagas. Toks poveikis gali sukelti chemines reakcijas, kurios išskiria degiąsias dujas ir greitai įkaista baterijos elemento uždaroje erdvėje.

Dėl ilgos, stiprios vibracijos ar kritimo gali paslinkti vidiniai elektrodai. Dėl to gali nutrūkti jungtis arba šiek tiek pažeisti diafragmą.

5. Gamybos defektai

Prastai suprojektuoti arba sugedę akumuliatoriai, atsiradę dėl gamybos defektų, kelia rimtą pavojų, nes yra linkę į vidinius trumpus jungimus arba perkaitimą. Tokios problemos kaip statyboje naudojamos nekokybiškos medžiagos arba netinkami surinkimo procesai gali pakenkti ličio baterijos vientisumui ir saugos mechanizmams. Griežtų kokybės kontrolės priemonių trūkumas gamybos metu šią riziką dar labiau padidina, nes sugedusios baterijos su paslėptais trūkumais gali patekti į apyvartą nepastebimai.

Mobiliųjų telefonų gamintojai „Samsung“ šios pamokos tenka mokytis itin skausmingu keliu. Visiškai neseniai bendrovei teko atšaukti rinkai pristatytą naująjį „Galaxy Note 7“ telefoną, kai paaiškėjo jo akumuliatoriaus keliami pavojai. „Galaxy Note 7“ defektą „Samsung“ aiškina tuo, kad kai kurių įrenginių akumuliatoriuose įvyko elementų, kurie turi būti atskirti vienas nuo kito, kontaktas.

6. Drėgmės poveikis

Drėgmė gali reaguoti su ličio akumuliatoriaus elemente esančiu elektrolitu, kad susidarytų dujos, o kraunant ji gali reaguoti su susidariusiu ličiu, kad susidarytų ličio oksidas, todėl akumuliatoriaus elemento talpa prarandama, akumuliatoriaus elementą lengva perkrauti ir generuoti dujas. Vandens skilimo įtampa žema, jis lengvai suyra ir kraunamas generuoja dujas, kai dėl šios generuojamų dujų serijos padidės akumuliatoriaus elemento vidinis slėgis, o kai akumuliatoriaus elemento korpusas neatlaikys, ličio baterijos sprogs.

7. Akumuliatoriaus vidinis slėgis ir vandenilio dujos

Akumuliatoriaus įkrovimo proceso metu, ypač įkrovimo pabaigoje, dėl perkrovimo vanduo skyla į vandenilį ir deguonį, trumpieji jungimai, stiprus sieros susidarymas ir staigus elektrolito temperatūros padidėjimas įkrovimo metu, nesunku daug vandens išgaruoti. Šiuo metu užsikimšus įkrovimo angos dangtelio ventiliacijos angai, negali išeiti per daug dujų, o akumuliatoriaus vidinė techninė struktūra paprasta, slėgis labai pakils, o tai sukels akumuliatoriaus lizdo deformaciją. Kai vidinis slėgis pasiekia tam tikrą slėgį, akumuliatoriaus lizdo dangtelio jungtis ar kitos silpnos vietos sprogs.

Jei 80% perkrovos naudojama vandens elektrolizei, o vandenilio kiekis akumuliatoriaus viduje yra didesnis nei sprogimo diapazonas, kai deguonies kiekis akumuliatoriuje arba ore susikaupia iki sprogimo ribos, sprogimas įvyks susidūrus su atvira liepsna.

Akumuliatoriaus saugumo užtikrinimas

Supratimas, kas sukelia akumuliatorių sprogimus, yra labai svarbus siekiant užtikrinti naudotojų saugumą ir užkirsti kelią katastrofiškiems incidentams.

1. Tinkami įkrovimo metodai

Kalbant apie ličio baterijas, tinkama įkrovimo praktika yra svarbiausia siekiant užkirsti kelią galimiems sprogimams. Būtina naudoti specialiai ličio akumuliatoriams skirtus įkroviklius, turinčius integruotas saugos funkcijas, tokias kaip apsauga nuo perkrovimo ir temperatūros stebėjimas. Šie įkrovikliai sukurti taip, kad užtikrintų tinkamą įtampos ir srovės lygį, apsaugant nuo perkrovimo, dėl kurio gali kilti terminis bėgimas ir galiausiai sprogimas.

Venkite pagundos palikti įrenginius įjungtus per naktį arba naudoti pigius, nereguliuojamus įkroviklius, kuriuose nėra reikiamų saugos mechanizmų. Naudojant pažeistą arba nespecializuotą įkroviklį akumuliatoriui įkrauti, akumuliatorius gali greitai įkrauti.

Ličio jonų akumuliatorių apsauga apima bent tris aspektus: įkrovimo įtampos ribą, iškrovimo įtampos ribą ir srovės ribą. Paprastai ličio akumuliatorių pakete, be ličio elemento, bus akumuliatorių valdymo sistema (BMS), kuri daugiausia yra prietaisas, užtikrinantis šias tris apsaugas.

Akumuliatoriaus valdymo sistema gali užtikrinti dvi apsaugos nuo perkrovimo, per didelio iškrovimo ir per didelės srovės, įskaitant įkroviklį ir akumuliatorių, apsaugą. Pirmosios apsaugos atveju akumuliatoriaus valdymo sistema gali bendrauti su įkrovikliu, siųsdama srauto ribojimo ir įkroviklio sustabdymo signalus, atsižvelgiant į surinktą informaciją apie baterijas. Kai įkroviklis gauna signalą, jis automatiškai sumažins įkrovimo srovę arba sustabdys įkrovimą. Antrosios apsaugos atveju, kai įkrovikliui nepavyksta susisiekti su akumuliatoriaus valdymo sistema, akumuliatoriaus valdymo sistema atjungs relę akumuliatoriaus viduje ir nutraukia visą įkrovimo grandinę.

2. Tinkamas tvarkymas ir laikymas

Tinkamas ličio baterijų tvarkymas ir laikymas atlieka lemiamą vaidmenį mažinant sprogimo riziką. Laikykite baterijas vėsioje, sausoje vietoje, toliau nuo tiesioginių saulės spindulių ar šilumos šaltinių, kad išlaikytumėte optimalias veikimo sąlygas. Ekstremalios temperatūros gali pakenkti akumuliatoriaus vientisumui ir padidinti terminio nutekėjimo tikimybę.

Be to, apsaugokite baterijas nuo fizinės žalos, gabendami jas naudodami apsauginius dėklus arba įvores. Venkite stiprių smūgių, pradūrimų ar per didelio lenkimo. Griežtai draudžiama ardyti be leidimo.

3. Kokybės užtikrinimas ir sertifikavimas

Užtikrinti, kad ličio baterijų gaminiai atitiktų pramonės standartus, yra kertinis akmuo siekiant išvengti sprogimų dėl gamybos defektų. Kokybės užtikrinimo priemonės turėtų apimti griežtas testavimo procedūras prieš gaminiams patenkant į rinką. Pirkite elektroniką ir baterijas iš patikimų prekių ženklų, turinčių saugos sertifikatus (pvz., CE, UL ir CQC).

4. Žinių sklaida ir vartotojų švietimas

Žinios, derinamos su sąžininga praktika, atlieka pagrindinį vaidmenį siekiant išvengti galimų nelaimių. Laikydamiesi tinkamų įkrovimo protokolų, tvarkymo gairių, kokybės užtikrinimo priemonių ir skatindami naudotojų švietimą apie saugią praktiką, kartu prisidedame prie saugesnės ličio baterijų naudojimo aplinkos kūrimo ramiai.

Ką daryti, jei akumuliatorius užsidega?

Kai sprogsta arba užsidega ličio jonų akumuliatorius, situacija yra itin pavojinga ir reikalauja greitų bei ramių veiksmų.

1. Nedelsdami imkitės veiksmų: Išlikite ramūs ir venkite vietų, kuriose sprogsta ličio jonų akumuliatoriai. Tuomet nedelsdami iškvieskite ugniagesius numeriu 112 (Lietuvoje 112, ne 119). Be to, turite aiškiai pasakyti, kad tai „ličio jonų akumuliatoriaus gaisras“, kad ugniagesiai galėtų atsivežti tinkamą gaisro gesinimo įrangą.
2. Pradėkite gesinti gaisrą (jei įmanoma): Jei sąlygos leidžia, pabandykite pradėti gesinti gaisrą. Pirmiausia svarbu naudoti specialų gesintuvą. D klasės gesintuvai yra skirti metalo gaisrų gesinimui. Taip pat galima naudoti didelį kiekį vandens, nes ličio jonų akumuliatoriai vandenyje nesprogsta, jei prietaisas atjungtas nuo elektros įtampos.
3. Veiksmai po gaisro: Kai kuriais atvejais akumuliatoriaus pakartotinio užsidegimo rizika yra didelė. Todėl akumuliatorių reikėtų atvėsinti vandeniu arba kitais aušinimo prietaisais, kol jis pasieks kambario temperatūrą. Be to, po gaisro reikia užtikrinti tinkamą vėdinimą.

Ugniagesių gelbėtojų mokyklos svetainė skelbia, kad jeigu ličio jonų baterija ar įrenginys su juo užsidegė, jį reikia uždengti nedegia medžiaga, pavyzdžiui, namuose užsiliepsnojusį telefoną galima įdėti į puodą ir uždengti. Jeigu užsidegė prietaisas, kurio bateriją tuo metu krovėte, pirmiausiai reikia atjungti jį nuo elektros įtampos. Jeigu to padaryti negalima, reikėtų išjungti saugiklius elektros skydinėje. Jei įrenginys įkaito ir ėmė sklisti baltos spalvos dūmai, galima jį skubiai numesti į saugesnę vietą, nes buitinėmis sąlygomis prasidėjusios reakcijos sustabdyti nepavyks.

Saugus baterijų atliekų tvarkymas

Antrasis patarimas - išeikvotas baterijas bei kitus sugedusius, pažeistus ar tiesiog nebenaudojamus elektronikos prietaisus iškart išmesti į tik jiems skirtas talpas arba perduoti teisėtiems atliekų tvarkytojams, kurie dirba pagal aukščiausius standartus. Patekusios pas atliekų tvarkytojus, baterijos ir akumuliatoriai yra nukenksminami, o po to pasirūpinama tinkamu jų perdirbimu bei sutvarkymu.

Atiduoti baterijas, o ne jas kaupti ar išmesti bet kur, verta dar ir todėl, kad baterijose yra vertingų medžiagų, kurias atliekų tvarkytojai gali atgauti ir panaudoti naujiems gaminiams. Šitaip yra taupomi gamtos ištekliai ir mažinama aplinkos tarša. Baterijose ir elektronikos prietaisuose taip pat yra medžiagų, kurios ne tokios degios, tačiau ne mažiau pavojingos aplinkai, pavyzdžiui, švinas, gyvsidabris, kadmis. Ne vietoje išmestos ir aplinkoje irdamos baterijų ir akumuliatorių atliekos skleidžia šias medžiagas, o jos gali pakeisti cheminę dirvožemio sudėtį, nudeginti augalų lapus, gyvūnų odą. Sunkieji metalai gali prasiskverbti ir į vandens telkinius, žmogaus ar gyvūno organizmą.

Išeikvotas buityje naudojamas baterijas galima atnešti į specialias talpas prekybos centruose ir biuruose. Ten pat galima rasti ir talpas visai smulkiai sugedusiai ar tiesiog nebereikalingai elektronikai - ausinėms, barzdaskutėms, skrudintuvams ir pan. Automobiliams skirtas baterijas, akumuliatorius, elektromobilių baterijas bei pramonines baterijas ir akumuliatorius galima priduoti tokias atliekas tvarkantiems atliekų tvarkytojams arba atvežti į didelių gabaritų atliekų surinkimo aikšteles. Šios atliekos dažniausiai yra vertingos ir už jas atliekų turėtojui sumokama.

Iš gyventojų nemokamai priimti senas baterijas, akumuliatorius ir elektroniką privalo ir jų platintojai. Taip pat vykdomas aplinkosauginis projektas „Mes rūšiuojam“, kurio metu renkamos elektronikos, baterijų ir akumuliatorių atliekos visoje Lietuvoje.

tags: #kada #akumuliatorius #gali #sprogti