Наверное уже не новость, что аккумуляторы могут вздуваться. Преимущественно этой неприятности подвержены Li-ion аккумуляторы и Li-Po аккумуляторы. По злой иронии, именно такие аккумуляторы используются в современных гаджетах.
Когда аккумулятор вздувается, то он может вполне разворотить смартфон или устройство, в котором установлен. У устройства от такого воздействия может треснуть экран или посрывает крепежные болтики корпуса. Кроме того, вздувшийся аккумулятор представляет пожарную опасность и в некоторых случаях взрывается или интенсивно горит после самовоспламенения, что может кончиться полноценным пожаром.
Аккумуляторы другой химии тоже могут вздуваться, но случается это редко. Например, старый добрый автомобильный кислотно-свинцовый аккумулятор может раздуть, если внутри него замерзнет электролит. Ну а аккумуляторы типа NiMH обычно не раздуваются или взрываются, а вытекают.
В интернете полным полно статей, где основные причины вздутия аккумулятора описываются как заводской брак устройства, механическое повреждение, перегрев выше установленных значений или протекание внутри аккумулятора нехарактерной для него химической реакции с выделением газа. В общем-то, всё это правильно, но что именно происходит с технической точки зрения внутри аккумулятора?
Очевидно, что если аккумулятор раздуло, то случился выброс газа. Тогда почему этот выброс газа не случается при обычном режиме работы?
Начнем, пожалуй с того, что проанализируем наиболее частые условия, при которых аккумулятор становится пузатым. Это, как правило, длительное нахождение в разряженном состоянии.
Вы можете сказать, что ведь любой современный аккумулятор оснащен платой контроля разряда BMS и она не даст аккумулятору разрядиться полностью (ведь мы помним, что для литиевых аккумуляторов полный разряд губителен)! Но есть одно но. Когда аккумулятор долго лежит без подзарядок, он всё равно разряжается полностью. Плата BMS действительно даст сигнал устройству, что мол хватить меня поедать. Устройство и правда перестанет потреблять. Но будет происходить дальнейший саморазряд и через полгодика лежания значения могут упасть ниже допустимых. В итоге всё заканчивается вздутием.
Следующий момент, на который вы вероятно обратили внимание - это повреждение аккумулятора от падений. Даже новый аккумулятор может вздуться, если устройство до этого как следует ударили и дали атмосфере попасть в корпус. Тут довольно очевидно, что в герметичный корпус аккумулятора проникает кислород и водяной пар. Ну а дальше пошло поехало. Кислород окисляет всё вокруг (а если это зона восстановителя - то привет), а водяной пар распадается на водород и кислород. При этом водород - довольно гадкая штука. Он и сам горит ого как, и активно реагирует как материалами анода, так и катода.
Для того, чтобы понять причину на уровне, нужно сначала вспомнить, как устроен литий ионный аккумулятор. В общем-то, литий полимерный аккумулятор будет иметь схожую логику работы.
Приведенная схема отлично иллюстрирует принцип работы и даже писать особенно ничего больше и не нужно. Про принцип работы такого аккумулятора очень хорошо и с иллюстрациями рассказывается здесь.
По сути с одной стороны образного разделителя, обозначенного пунктиром, у нас окислитель, с другой - восстановитель. Между ними находится электролит. Все помнят, что если их перемешать, то будет барабум.
В ранних версиях литий-ионников использовался анод из чистого лития, который покрывался повреждениями (так называемыми дендритами) в результате эксплуатации. Этот киш-миш проникал в тело электролита и в итоге приводил к замыканию электродов, и последующему интенсивному горению или, как минимум, к интенсивному выделению газа, деформации корпуса и вздутию. В современных же аккумуляторах этого типа анод делается из графита и замыкаться, в общем-то, особенно нечему.
В общем-то, стоит отметить, что незначительно изменение размера аккумулятора из-за вздутия вполне допустимо. При зарядке объём аккумулятора увеличивается, а при разрядке уменьшается. Оно и понятно. Проникновение ионов в графит, их путешествие по электролиту и изменение параметров смеси лития и кобальта могут вызывать искажение параметров решеток. Но всё это хорошо, пока оно в рамках. Визуально такой процесс часто даже не заметен.
Но если аккумулятор вырос и это явно видно, то что-то пошло не так.
Причина здесь в разложении защитного слоя на аноде аккумулятора и последующее его взаимодействие с электролитом. В процессе работы на аноде образуется так называемый SEI (solid electrolyte interface). Он представляет собой превратившийся в полимер электролит и выступает в качестве тонкого защитного поверхностного межфазного слоя. Этот слой не даёт реакции проходить излишне интенсивно. Если слой поврежден, то электролит начинает восстанавливать анод и дальше допустимой границы портится и во все стороны летит смесь продуктов разложения анода. Этим газам некуда деться и они раздувают корпус аккумулятора.
Ну а уж как повредить слой гадать не приходится :) Тут все наши условия подходят - долбануть механически, переразрядить или перезарядить, убив его химически или зажарить термически, перегрев устройство. С переразрядом это связано, поскольку именно химические процессы, происходящие при разрядке в итоге и уничтожают анод, если выходят за допустимые границы.
Аналогичная картина получается и при ударах аккумулятора или появлении доступа кислорода с водяным паром. Химия аккумулятора или становится более активной и начинает сама себя уничтожать с выделением газа, или газ появляется снаружи и образуются новые продукты, которые раздувают корпус, прежде, чем выйти наружу.
Кстати, первые аккумуляторы такого типа всегда делались с защитными клапанами, которые сбрасывали избытки газа в случае их появления.
Пользоваться вздувшимся аккумулятором по объективным причинам не особенно безопасно. Лучше выкинуть его к чертовой бабушке и не хранить дома. Ведь в итоге у нас может произойти смешивание восстановителя и окислителя, расположение которых из-за вздутия и их граничные слои уже подвинуты, а это или бабах, или пожар.
Кстати, по этой же причине восстанавливать аккумуляторы - тоже не лучшая идея. Методики такие активно описываются, но это лотерея. BMS правда можно разблокировать, чтобы она и дальше видела аккумулятор "живым", газ выпустить через дырочку, проделанную в корпусе иголочкой и всё это добро какое-то время ещё может служить. Только это опасно. Ведь даже на стадии выпуска газа можно ковырнуть литиевый слой и тогда получится файербол прямо на рабочем столе :) (при совпадении всех условий само собой).
Полезная книга от меня по основам физики (механики)
------------
Обязательно оцените статью лайком, напишите комментарий и подпишитесь на проект! Это очень важно для развития канала. Виноваты странные алгоритмы Дзена!
-------------
Советую также прочитать на нашем канале:
-----