11 октября 2016

Батареи смартфонов: почему они взрываются?

Константин Иванов

По материалам androidcentral.com

Кажется, от разговоров про взрывающиеся батареи телефонов уже некуда деться, спасибо Samsung и их Note 7. Однако это не первый и не единственный аппарат с подобной проблемой. Почему вообще взрываются батареи? Давайте поговорим подробнее…

Пока мы используем литий-ионные аккумуляторы, единичные случаи с батареями будут происходить. Note 7 – не первый телефон, для которого потребовался масштабный отзыв по причине, связанной с батареей. Например, подобное могут вспомнить давние фанаты Nokia. Но тогда аккумуляторы были съемными, и финской компании не пришлось убирать модели с рынка. Такое случается, ничего хорошего в этом нет, но оно случается. Давайте разберемся, почему.

Как работает аккумулятор в вашем телефоне

Первое, что мы рассмотрим, это то, как работает литий-ионный аккумулятор в вашем аппарате. Суть заключена в самом названии: электричество доставляется от одного электрода к другому посредством заряженных ионов лития.

Литий-ионные аккумуляторы хранят, передают и высвобождают энергию за счет электрохимических процессов. В аккумуляторе два электрода, анод и катод. Катод содержит положительно заряженные ионы, а анод – отрицательно заряженные ионы. Между двумя электродами находится электролит. В литиевой батарее это обычно натуральная паста-растворитель с большим содержанием солей металлов (в большинстве случаев лития) в составе. Это обеспечивает электрическую проводимость. В электролите находятся анод и катод, которые разделены и не соприкасаются.

Когда вы разряжаете батарею (используете телефон и не заряжаете ее), положительные ионы покидают анод, а отрицательно заряженный катод их притягивает. Электрический ток исходит из анода, идет через ваше устройство и возвращается к катоду. Да-да, оно описывает круг, а не «тратится» заряженным устройством. Когда вы заряжаете свой телефон, происходит обратный процесс: ионы движутся от катода к аноду через электролит.

Когда эти ионы вступают в контакт с заряженными атомами на электроде, происходит окислительно-восстановительная электрохимическая реакция, она высвобождает заряженные электроны, которые проходят через контакты батареи, соединенные с электродами. За счет этого ионы лития в электролите продолжают заряжаться до тех пор, пока их не оказывается недостаточно, чтобы удерживать достаточно сильный положительный заряд, позволяющий двигаться сквозь электролит, и с этого момента аккумулятор перестает заряжаться.

Литий – самый легкий металл, третий номер в периодической таблице. Также он легко вступает в реакцию, что позволяет очень легко эту реакцию вызвать. Таким образом, это практически идеальный металл для использования в портативной многоразовой батарее. Она мало весит, легко перезаряжается и долгое время способна держать заряд.

Что заставляет аккумуляторы взрываться?

Для начала давайте определимся, что в данном случае понимать как взрыв. Электролитная паста внутри литий-ионного аккумулятора очень летуча. Она может легко среагировать с другими металлами и имеет очень низкую температуру плавления (180 градусов Цельсия). Внутри герметичного корпуса батареи может расти давление вплоть до нарушения целостности корпуса, а затем быстро вырываться наружу. Давление выталкивает очень горячий электролит, который может вызвать возгорание. Некоторые литиевые батареи оснащены вентиляционным отверстием, поэтому они не разрушатся от давления. Когда разрушается корпус аккумулятора и перегретая жидкость, содержащая расплавленные металлы, вырывается наружу под давлением, это вызывает взрыв.

Есть два способа заставить взорваться литиевый аккумулятор – перегрев и физическое повреждение. Рассмотрим оба этих способа.

Перегрев и перезаряд

Вот наиболее частая причина проблем с батареей. В процессе зарядки что-то нарушается, и поступающее напряжение продолжает поддерживать химическую реакцию. Один участок батареи становится слишком горячим, а поскольку зарядка продолжается, он не может охладиться, и происходит то, что называется тепловым разгоном аккумулятора.

В этом случае горячий участок начинает вырабатывать собственное тепло, которое перегревает электролит по соседству, а он, в свою очередь, перегревает другие части батареи. Тепло распространяется электролитом и образует пар, поднимая давление до тех пор, пока не трескается корпус батареи, давая выход накопившемуся давлению и горячей, липкой и очень горючей при контакте с воздухом жидкости.

Когда такое происходит, это может причинить физический ущерб всему, что находится близко – это платы и стекло или пластик. Эти материалы тоже могут возгораться от нагревания, что, в свою очередь, воспламеняет потекший электролит, делая его чем-то вроде напалма, который прилипает и прожигает поверхность насквозь или сгорает сам.

Процесс теплового разгона может происходить очень быстро, и ситуация из разряда нормы может перейти к катастрофической внутри батареи даже раньше, чем тепло передастся от аппарата вашей руке. К счастью, сотни миллионов литиевых аккумуляторов, производимых ежегодно, имеют крайне малый (статистически почти не значимый) процент отказов из-за теплового разгона, частично благодаря мерам безопасности (наподобие негорючих добавок в составе электролита и покрытий).

Когда ваш телефон становится слишком горячим и сообщает, что не может заряжаться или работать на полную мощность, ему требуется охлаждение, чтобы не произошло теплового разгона. Послушайтесь маленького всплывшего сообщения и дайте устройству остыть.

Механические повреждения

Литиевые батареи специально разрабатывались легкми, высокопроизводительными и легко заряжающимися. А это значит, что внешняя оболочка и сепарация, разделяющая электроды, очень тонкие и легкие. Большая часть веса приходится на компоненты, которые непосредственно участвуют в процессе зарядки телефона.

В силу того, что перегородки и корпус батареи тонкие, их легко порвать или пробить. Если батарея повреждена так, что это позволяет соприкасаться электродам, может произойти короткое замыкание. Мгновенный электрический разряд взрывоопасен, и он может нагреть электролит и создать давление, которое вырвется через любое повреждение в корпусе аккумулятора. Горячо, огнеопасно, происходит контакт с искрой – вот вам и рецепт катастрофы.

Тонкий корпус, как ни странно это звучит, это тоже мера предосторожности. Чем тоньше металл, тем проще его повредить, за счет этого не образуется такого большого давления, получается этакое вентиляционное отверстие. Плохо, когда наружу вырывается горячая огнеопасная жидкость, но еще хуже, когда нарастает давление внутри более толстого корпуса, пока наконец не разрушает его.

Другие металлы в контакте с электролитной пастой также могут вызвать искру, которая приведет к взрыву. Можете сами поискать на YouTube ролики, в которых очень умные товарищи пробивают аккумуляторы телефонов, чтобы те взорвались. Реакцией на контакт с инородным металлом будет короткое замыкание, но в меньшем масштабе.

А что же там с Note 7?

Только Samsung доподлинно известно, почему взрываются батареи в Galaxy Note 7. Компания разослала в своем британском подразделении короткое послание, в котором нет особого смысла. Фраза «the anode-to-cathode came into contact» звучит так, будто описывается короткое замыкание, но в такой формулировке это ничего не означает. Но будучи диванным экспертом, который своими глазами никогда не видел взрывающийся или уже взорвавшийся Galaxy Note 7, можно сказать, что наиболее вероятна как раз ситуация с замыканием анода на катод.

Поскольку люди сообщают о взрывах батарей Note 7, не находящихся на зарядке, и значительная часть телефонов, которые мы видим на фото, не сгорели, можно предполагать, что тепловой разгон тут не виноват, несмотря на то, что Health Canada точно утверждает, что единичный случай в Канаде произошел от перегрева.

Тепловой разгон – не такое «мгновенное» событие, как короткое замыкание, и нагретому электролиту требуется больше времени, чтобы вырваться из батареи с пламенем, чем вырваться из ее корпуса со взрывом. Сгорит больше, чем часть телефона, а также другие предметы в непосредственной близости. Также тепловой взрыв заставит аккумулятор распухнуть, прежде чем нарушится целостность его гибкого корпуса, и не имея дальнейшего пространства для расширения, разбухшая батарея сломает крышку самого телефона. Видео на YouTube демонстрируют, как это происходит, вот хороший, хоть и старый пример того, как кто-то нарушает меры предосторожности, чтобы это произошло. Некто, кому, наверное, сказали, что телефон раздуется, прежде чем взорваться.

Вряд ли можно предполагать, что какие-то инородные тела или попавшие на производстве частички контактируют с электролитом. Это популярная гипотеза, но если в партии аппаратов (мы не знаем, какого размера партия) окажутся мелкие частички в электролите, мы увидим гораздо больше взрывающихся Galaxy Note 7.

Более вероятным кажется замыкание внутри батареи или в зарядной цепи вкупе с электролитом, имеющим негорючие добавки. Быстрый взрыв, который высвобождает небольшое давление и жидкость одновременно, может исчерпать себя, если с аппаратом ничто не контактирует. Если же произойдет контакт с чем-то горючим, например, с тем же сиденьем джипа, может произойти пожар.

Конечно, может иметь место масса факторов, о которых мы не знаем. Процесс производства литий-ионных батарей для телефонов предполагает их высокую безопасность. Но много что может пойти не так.

Предварительный отчет Samsung корейским регуляторам называл причиной ошибку в производстве, из-за которой платы внутри аккумулятора контактировали друг с другом, вызывая «чрезмерно высокую температуру». В отчете говорилось, что требуется более тщательный анализ, чтобы выяснить точную причину.

Предварительные выводы указывают на ошибку в производстве, из-за которой платы в ячейках аккумулятора оказываются под давлением. В свою очередь это заставляет вступать в контакт положительный и отрицательный полюса, вызывая чрезмерное повышение температуры. Тем не менее, Samsung акцентирует внимание на необходимости более тщательного анализа ситуации, чтобы определить «точную причину» повреждения аккумулятора.

Что мы знаем о Galaxy Note 7 и его аккумуляторе

Мы понятия не имеем, что происходит с Galaxy Note 7, не знает этого и никто вне компании Samsung. Но мы можем сформулировать обоснованное предположение, опираясь на те малые знания, что у нас есть. Galaxy Note 7 признан компанией Samsung проблемным аппаратом, его производство свернуто, и мы должны прекратить его использовать и вернуть. Собственно, для того, чтобы избавиться от потенциального источника опасности, нам не надо знать, почему именно аппараты взрываются. Как поступить, дело ваше, как, впрочем, и то, как отнестись к ситуации в целом. Мы лишь постарались приоткрыть завесу над технической стороной вопроса.