Кажется, еще вчера о взрывающихся телефонах мы читали только в фантастических романах. А сегодня новости пестрят заголовками о смартфонах, которые внезапно загораются, или об электросамокатах, вспыхнувших при зарядке. Страшно? Конечно! Ведь литий-ионные аккумуляторы находятся буквально у нас в карманах, в телефонах и ноутбуках, и даже приводят в движение электромобили. Так могут ли эти привычные батареи превратиться в мини-бомбу? Давайте разберемся, почему взрываются литий-ионные аккумуляторы и каковы причины таких инцидентов.
Энергия под замком: что скрыто внутри батареи
Литий-ионный аккумулятор – это маленький резервуар энергии, обеспечивающий работу наших гаджетов. По сути, он устроен как бутерброд из химических элементов: внутри есть два электрода – анод и катод, разделенные тонким пористым сепаратором, пропитанным легко воспламеняющимся электролитом. Анод обычно делают из углеродного графита, а катод – из соединений лития с металлами. Электролит представляет собой органический раствор, который проводит ионы лития между электродами. Весь этот "слоеный пирог" помещен в герметичный корпус. Пока все работает штатно, энергия аккуратно накапливается и отдается без всяких ЧП. Но стоит произойти сбою – и скрытая внутри энергия может вырваться наружу очень стремительно.
Представьте себе аккумулятор как скороварку. Когда всё в порядке, давления нет и ничего не происходит. Но если внутри начинается сильный нагрев, растет давление газа – без выхода это чревато взрывом. В литий-ионной батарее похожая ситуация: при серьезной неисправности внутри выделяется тепло и газ, которому некуда деваться. В какой-то момент корпус батареи может не выдержать, и происходит бах! – вспышка огня, хлопок, а иногда и настоящий взрыв.
Почему же батарея вдруг перегревается внутри? Главный виновник – внутреннее короткое замыкание. Это ситуация, когда анод напрямую соприкасается с катодом (через поврежденный сепаратор или другую ошибку), и по сути вся накопленная энергия мгновенно начинает высвобождаться в виде тепла. По данным специалистов, именно короткое замыкание внутри ячейки считается самой распространенной причиной взрывов литий-ионных аккумуляторов. При замыкании начинается цепная реакция перегрева, известная как тепловой разгон. Ток резко возрастает, увеличивая температуру, а рост температуры еще сильнее поднимает ток – процесс идет по нарастающей, как снежный ком. В итоге выделяется огромное количество тепловой энергии, способной нагреть батарею до нескольких сотен градусов и разрушить её изнутри. Электролит закипает и разлагается, выделяя горючие газы. При около 180 °C начинают разлагаться материалы катода, выделяя кислород – а с появлением кислорода внутри вспыхивает пламя. Если вы когда-нибудь видели, как вспыхивает литий-ионная батарея, то знаете – зрелище пугающее: вырывающиеся языки пламени, искры и дым. Недаром такие пожары сложно тушить, ведь горит сразу и химическое топливо, и выделяющийся кислород поддерживает горение.
Важно отметить, что сам по себе литий не взрывается – в современных батареях почти нет чистого лития. Загореться может органический электролит и материалы электродов при перегреве. Таким образом, литий-ионный аккумулятор взрывается не оттого, что там внутри некий порох, а из-за неконтролируемой химической реакции и высокого давления. Происходит фактически самосгорание батареи изнутри. И случается это лишь при серьезном сбое или неправильной эксплуатации – в нормальном режиме хорошие аккумуляторы не должны взрываться вовсе.
Основные причины взрывов литий-ионных батарей
Что же может вызвать столь серьезный сбой внутри аккумулятора? Спровоцировать внутреннее короткое замыкание или перегрев способны несколько основных факторов. Давайте рассмотрим каждую причину подробнее.
Производственный дефект.
Иногда проблема закладывается еще на этапе производства батареи. Представьте: в стерильном цеху по изготовлению аккумуляторов вдруг попала мельчайшая металлическая стружка между слоями, или робот криво нарезал электроды, оставив заусенцы. Такая микроскопическая соринка или выступ может повредить сепаратор и со временем привести к контакту анода с катодом. В результате внутри ячейки случается замыкание. Подобные случаи редки – крупные производители тщательно контролируют качество, но полностью исключить брак невозможно. Известен, например, массовый отзыв смартфонов одной известной марки, когда дефект в конструкции батареи (слишком плотно упакованные слои без зазора для расширения) приводил к замыканию и возгоранию устройств. Производитель тогда поспешил заменить все аккумуляторы, осознавая серьезность проблемы.
Дешевые или некачественные компоненты.
Еще одна скрытая угроза – экономия на материалах. Некоторые малоизвестные бренды или подделки могут использовать удешевленные компоненты: тонкий сепаратор худшего качества, примеси в сырье, слабую изоляцию. Система управления батареей (BMS) – электронная плата, следящая за зарядом, температурой и прочими параметрами – тоже бывает низкого качества. Если такая электроника сбоит, аккумулятор может перезарядиться или перегреться без защитного отключения. Конкуренция на рынке заставляет удешевлять производство, но в случае с литий-ионными батареями это чревато повышением риска. К сожалению, низкое качество аккумулятора напрямую повышает вероятность его отказа или даже взрыва.
Конструктивные просчеты.
Порой и у именитых производителей случаются ошибки в дизайне батарей. Гонясь за большей емкостью и компактностью, инженеры могут спроектировать аккумуляторный блок слишком плотно. Если батарее не оставлено пространство для теплового расширения или отсутствует достаточное охлаждение, она работает на пределе. Добавьте сюда внешние воздействия – например, телефон в кармане может сдавливаться, гнуться, падать. В знаменитом случае со смартфоном Note 7 именно слишком тесный корпус для слишком большой батареи стал роковой ошибкой: при ежедневных нагрузках слои аккумулятора деформировались, что приводило к внутреннему замыканию. Вывод прост: непродуманная конструкция без запасов прочности и защиты от перегрева способна превратить батарею в бомбу замедленного действия.
Перегрев от внешних факторов.
Литий-ионный аккумулятор не любит высоких температур. Если оставить гаджет под палящим солнцем или возле горячей печки, температура батареи поползет вверх. При ~60 °C и выше аккумулятор начнет сильно деградировать, а ближе к 90 °C может дойти до опасного порога, когда начинается тот самый тепловой разгон. Источником перегрева может быть и сам девайс: интенсивные игры или приложения греют телефон, непрерывная зарядка тоже добавляет тепла. Если тепло не рассеивается, батарея перегревается, внутренние слои повреждаются – и далее возможен пожар. Кстати, именно поэтому в электромобилях и крупных аккумуляторных блоках ставят системы охлаждения. А вот нашему бедному смартфону в жаркий день охладиться зачастую нечем.
Механическое повреждение.
Это, пожалуй, самый очевидный сценарий. Проколите или сильно ударьте литий-ионную батарею – и вы почти гарантированно получите вспышку или огонь. При прокалывании сепаратор разрушается сразу, анод с катодом замыкаются напрямую, плюс кислород извне проникает – всё это мгновенно вызывает горение. Именно поэтому ни в коем случае нельзя разбирать, прокалывать или бросать в огонь аккумуляторы. Даже сильный удар при падении телефона на твердую поверхность может повредить внутренние слои. Если вы заметили, что после падения батарея вздулась или потекла – это тревожный знак. Такой аккумулятор крайне нестабилен и может вспыхнуть в любой момент, его необходимо скорее заменить и утилизировать.
Неправильная зарядка и разряд.
Литий-ионной батарее важно получать ток и напряжение в допустимых пределах. Перезаряд ( зарядным устройством, выдающим слишком высокое напряжение) грозит перенасыщением ячеек – это как перелить бак бензина, топливо начнет выливаться. Только в батарее "выливается" лишняя энергия в виде тепла и побочных реакций, разрушая внутренние компоненты. Слишком быстрая зарядка высоким током также опасна: аккумулятор не успевает принимать заряд корректно, литий может осаждаться в виде металлических дендритов, пробивающих сепаратор. Чрезмерно глубокий разряд тоже вреден – если разрядить аккумулятор до нуля и оставить, внутри могут начаться необратимые химические изменения (например, растворение металлов), которые при следующей зарядке вызовут замыкание. Все эти нештатные режимы – как стресс для батареи, и каждый из них приближает тот самый критический сбой. Недаром производители прописывают: заряжать устройство только фирменным зарядником и не доводить до полной разрядки.
Проблемы с зарядным устройством.
Порой виновник возгорания – вовсе не сама батарея, а неисправное зарядное устройство. Если зарядник подает нестабильное напряжение, имеет внутреннее короткое замыкание или просто сильно греется при работе, он может перегреть и испортить аккумулятор. Особенно рискованно использование дешевых неоригинальных зарядок: они могут не иметь нужных ограничителей тока и защиты от перенапряжения. В результате аккумулятор в устройстве получает "неправильное питание", перегревается и выходит из строя с огнем и дымом. Так что экономия на зарядном – плохая идея, когда речь идет о безопасности.
Все перечисленные причины различны, но итог один: батарея перегревается, начинается химический разгон реакции и самопроизвольное возгорание. Иначе говоря, любой из этих факторов может запустить тепловой разгон, который приводит к пожару или взрыву аккумулятора. К счастью, в современных устройствах производители стараются предусмотреть множество степеней защиты, чтобы не допустить такого развития событий.
Защита от взрыва: как производители страхуют аккумуляторы
Раз уж литий-ионный аккумулятор таит такую мощь, инженеры разработали целый ряд систем безопасности, чтобы использовать его было относительно безопасно. Вы могли замечать: батареи в телефонах и ноутбуках редко взрываются сами по себе, ведь внутри них есть умные защиты:
- Во-первых, в каждой ячейке есть специальный сепаратор, который при локальном перегреве плавится и блокирует дальнейшее протекание реакции. Он выполняет роль предохранителя: если где-то внутри стало слишком горячо, поры сепаратора схлопываются и останавливают движение ионов, пытаясь погасить перегрев. Правда, если температура растет слишком стремительно, даже сепаратор может не спасти – он просто полностью расплавится.
- Во-вторых, предусмотрены клапаны и вентиляционные отверстия. Когда внутри элементы начали газовыделение и давление повышается, клапан срабатывает и выпускает газ наружу, чтобы батарею не разорвало. Да, вы правильно поняли: аккумулятор может выпустить пламя наружу, и это тоже вариант контролируемой защиты. Лучше пусть огонь вырвется наружу через клапан, чем батарею разорвет как гранату. Вспомните случаи, когда горел электромобиль: чаще всего огонь вырывается из-под днища – это как раз сработали клапаны, направленные вниз, чтобы выгоревший модуль отсоединился от других.
- В-третьих, в батареях стоят электронные платы защиты – то самая BMS. Они контролируют процесс зарядки и разрядки, не допускают переполюсовки, слишком глубокого разряда или перезаряда, защищают от короткого замыкания и перегрузки по току. Если датчики фиксируют опасный параметр (перегрев, перенапряжение), электроника разрывает цепь и отключает аккумулятор, спасая его от самоуничтожения. Именно поэтому исправное устройство, как правило, просто выключится, не дав батарее взорваться.
Наконец, используются терморезисторы (PTC), которые реагируют на повышение температуры увеличением сопротивления. Они ограничивают ток при перегреве, не давая батарее разгоняться дальше. А еще в конструкцию могут добавлять предохранители – маленькие плавкие вставки, которые перегорят и разомкнут цепь при чрезмерном токе, тем самым останавливая процесс.
Благодаря всем этим мерам риск взрыва сведён к минимуму. Большинство производителей многоступенчато страхуют свои аккумуляторы – от материалов до электроники. Конечно, абсолютной гарантии нет: если, к примеру, батарея будет пробита чем-то острым, никакие хитрости уже не спасут. Но в нормальных условиях современная литий-ионная батарея крайне редко взрывается. Именно поэтому инциденты с самовозгоранием – это большая новость: они происходят на фоне миллионов устройств, которые исправно работают.
Как использовать батарею безопасно: простые советы
Теперь, когда мы знаем, почему и как аккумуляторы взрываются, возникает логичный вопрос: что делать нам, обычным пользователям, чтобы не стать героем новости о горящем телефоне? Есть несколько простых рекомендаций, которые помогут снизить риск практически до нуля:
Не перегревайте устройства.
Старайтесь не оставлять телефон или ноутбук под прямым солнцем, в нагретой машине или около батареи отопления. При зарядке обеспечьте гаджету вентиляцию – не кладите его под подушку. Если заметили, что устройство сильно греется без причины, дайте ему остыть.
Избегайте механических повреждений.
Не роняйте и не сдавливайте девайсы. Особенно берегите батареи от проколов. Никогда не пытайтесь расплющить, проколоть или разобрать аккумулятор – ни отдельно, ни внутри устройства. Поврежденная батарея может вспыхнуть даже спустя время после травмы.
Пользуйтесь правильной зарядкой.
Всегда используйте качественное зарядное устройство, лучше оригинальное или сертифицированное производителем. Дешевые зарядки неизвестного происхождения – лотерея. Они могут "залить" в батарею лишний ток или напряжение. Также не оставляйте устройство на зарядке без присмотра на очень длительное время (например, на несколько дней подряд) – хотя современные гаджеты умеют прекращать заряд автоматически, лишняя предосторожность не помешает.
Следите за состоянием аккумулятора.
Если батарея вздулась, деформировалась или из нее потек электролит – немедленно прекратите использование. Такой аккумулятор опасен. Остудите устройство (отключите, отнесите в безопасное место), ни в коем случае не продолжайте заряд или работу. Поврежденную батарею нужно утилизировать согласно рекомендациям, не бросая в обычный мусор (там она тоже может загореться).
Не допускайте полного разряда и перезаряда.
Старайтесь держать заряд аккумулятора в диапазоне 20-80% в повседневной жизни – это продлевает ему жизнь и снижает стресс. Не разряжайте до нуля "в хлам" и не заряжайте до 100% сутками напролет. И уж тем более, не пытайтесь "реанимировать" глубоко разряженную батарею кустарными методами – это опасно.
Выполняя эти нехитрые правила, вы практически гарантированно никогда не столкнетесь с взрывом батареи. Помните, что литий-ионный аккумулятор боится экстремальных условий, а при бережном обращении служит верой и правдой.
Итак, литий-ионные аккумуляторы взрываются лишь в исключительных случаях – когда совокупность факторов приводит к перегреву и цепной реакции внутри. Мы выяснили, что чаще всего виновато внутреннее короткое замыкание (по разным причинам), которое запускает неконтролируемый тепловой разгон. Тем не менее, технологии не стоят на месте: производители знают об этих рисках и напичкали батареи множеством предохранителей и защитных систем, чтобы подобное не происходило.
Можно ли полностью исключить такие происшествия? Увы, нет – абсолютной надежности не бывает. Но в наших силах минимизировать вероятность. Пользуйтесь качественной техникой, соблюдайте рекомендации, и вероятность встретиться с горящим аккумулятором будет примерно как шанс увидеть метеорит в своем дворе.