Por que as baterias explodem

É claro que os usuários de smartphones e tablets estão cientes do risco de explosão das baterias de lítio em seus aparelhos. E exemplos impressionantes não precisam ir muito longe. Recentemente, por exemplo, a Samsung enfrentou pessoalmente um problema doloroso e foi forçada a retirar a primeira série da nova Nota 7, já que as baterias explodiram no processo de carregamento. De uma maneira ou de outra, o problema permanece o mesmo desde o início do surgimento dos telefones celulares; mesmo em 2016, a ICAO proibiu remessas comerciais nos compartimentos de carga do transporte civil baterias de lítio.

A essência do problema com as baterias de lítio

O fato é que, no processo de carregamento de uma bateria de lítio em um dispositivo móvel, usando o microcontrolador incorporado à bateria, um algoritmo bastante complicado para implementar esse processo é implementado para que a temperatura da bateria não ultrapasse a faixa de temperatura aceitável. O controlador monitora para esse propósito muitos parâmetros da bateria durante o carregamento.

Além do processo de carregamento em si, o armazenamento da bateria também exige o cumprimento de certas regras, especialmente em relação à temperatura: você não pode superaquecer nem superaquecer a bateria.

O principal problema que causa a explosão das baterias é aquecimento excessivo do eletrólito devido a exceder a temperatura permitida ou devido a um curto-circuito dentro da célula da bateria. A reação em cadeia é facilmente iniciada dentro da célula superaquecida, porque o lítio do metal alcalino é muito facilmente inflamado, como resultado do qual a bateria incha e, na pior das hipóteses, explode.

E mesmo apesar da presença de um controlador "atento", um defeito acidental de fábrica (espessura insuficiente do isolador entre as células) pode ocorrer e levar a conseqüências tristes.

É claro que choques, falhas, perfurações e superaquecimento ao sol são perigosos. Mesmo que a bateria caia e bata levemente, pode ocorrer uma avaria no isolador interno e, no futuro, isso pode levar a um problema repentino, mesmo sem superaquecimento óbvio.

Motivo de explosão para baterias de lítio

O ânodo e o cátodo da bateria de íons de lítio são separados por um separador poroso de polímero. O cátodo possui um material ativo, para o qual são freqüentemente usados ​​óxidos de metais de transição, nos quais os íons de lítio são incorporados. O ânodo é geralmente grafite. Uma solução orgânica de sais de lítio é usada como eletrólito.

Durante a primeira carga na fábrica, o lítio é incorporado ao ânodo e uma camada de eletrólito decomposto se forma nos eletrodos, que agora serve como proteção contra reações desnecessárias, enquanto permanece conduzindo íons.

Como observado acima, um curto-circuito interno é uma das principais causas de auto-ignição da bateria. A causa do curto-circuito em si pode ser dano físico ou defeitos de fábrica, como corte desigual dos eletrodos ou entrada de partículas de metal entre o cátodo e o ânodo, que violam a integridade da camada separadora.

Outra razão para o fechamento é o crescimento de cadeias de metal de lítio através do separador (se os íons de lítio na fábrica não tivessem tempo suficiente para se integrar totalmente ao cristal do ânodo devido a carregamento excessivamente rápido ou por super-resfriamento, ou se a capacidade do material ativo do cátodo for maior que a capacidade do ânodo, que leva a depósitos no ânodo, que depois cresce lenta mas inexoravelmente).

Portanto, se ocorrer um curto-circuito, a temperatura da bateria começará a subir e, quando atingir 70-90 ° C, a decomposição da camada protetora condutora de íons do ânodo começará. O ânodo de lítio reage com um eletrólito, enquanto hidrocarbonetos combustíveis, como etileno, metano, etano, etc. são liberados.Mas é muito cedo antes do incêndio, porque não há oxigênio suficiente.

Enquanto isso, a reação exotérmica é ativada e a temperatura aumenta, a pressão dentro da caixa da bateria aumenta. A 180-200 ° C, a reação de desproporção começa no cátodo, onde o oxigênio é liberado. A ignição ocorre, a temperatura aumenta acentuadamente e o eletrólito se decompõe termicamente, a temperatura já é de 200 a 300 ° C.

Finalmente, é a vez da grafite e, quando a temperatura atinge 660 ° C, o alumínio do coletor atual começa a derreter. A temperatura máxima em todo esse processo geralmente não tem tempo para exceder 900 ° C, pois tudo termina rapidamente com a decomposição completa dos componentes internos da bateria.

Já existe sucesso em encontrar uma solução para o problema

Para resolver o problema, os fabricantes de smartphones podem restringir a regulamentação, criar fusíveis adicionais em dispositivos e baterias, complicar os controladores, mas isso aumentará o custo das baterias e de todos os produtos que acompanham a bateria. As empresas competem entre si, e simplesmente economicamente não conseguem.

Enquanto isso, os físicos de Stanford estão lutando pela segurança das baterias de lítio, que no verão de 2015 desenvolveram um mecanismo de proteção especial embutido na bateria já na fase de produção.

Na verdade, estamos falando de um novo tipo de bateria de lítio, que desliga automaticamente quando seu interior atinge uma temperatura potencialmente perigosa (que impede o processo de provocar incêndio subsequente) e, depois de um tempo, após o resfriamento, elas ligam novamente automaticamente.

Os autores do desenvolvimento afirmam que esta é a primeira bateria de lítio que pode ser desligada e restaurada repetidamente sem perder suas propriedades e desempenho.

O desenvolvimento foi realizado por vários anos por uma equipe de várias pessoas (incluindo Zhenan Bao), como resultado, uma bateria foi desprovida de duas desvantagens principais - uma queda acentuada na capacidade da bateria após vários ciclos de recarga e, mais importante, uma tendência a disparar e explodir devido ao superaquecimento ( reação em cadeia para automaticamente).

A decisão chegou aos cientistas de um campo completamente diferente da física. Eles fizeram termômetros usando nanopartículas de níquel embutidas em uma fina folha de grafeno e plástico. Estes eram termômetros incomuns. Em repouso, as partículas de níquel estavam em contato, ou seja, um bom condutor de corrente foi obtido. Mas quando a chapa foi aquecida, o plástico começou a se expandir um pouco, o que levou a um enfraquecimento do contato entre as partículas condutoras de níquel, e a resistência de todo o condutor aumentou.

Essa propriedade foi usada por pesquisadores de Stanford para proteção automática instantânea de baterias de lítio e para restauração automática completa do contato após o resfriamento. Eles colaram uma folha desse plástico a um dos eletrodos da bateria para que ela perdesse a condutividade com o aumento da temperatura. E quando a temperatura atinge 70 ° C

Mas, apesar da solução, os fabricantes de dispositivos móveis ainda não se atrevem a mudar drasticamente a tecnologia de produção de suas baterias que foi desenvolvida ao longo dos anos. Portanto, os usuários de gadgets terão que aceitar o perigo potencial das baterias de lítio por algum tempo e tentar não deixar cair ou superaquecer seus dispositivos móveis, especialmente as baterias. Talvez em um futuro próximo o problema seja completamente resolvido.

Veja também: Uso adequado de baterias de íons de lítio