Почему взрываются аккумуляторы? Химик Юрий Добровольский о параметрах безопасности и циклах зарядки аккумуляторов

По каким параметрам определяется безопасность аккумуляторов? Какие преимущества у литийионных аккумуляторов? Как правильно заряжать аккумуляторы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (ФИОП), рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Безопасность аккумуляторов определяется несколькими параметрами, в первую очередь разницей потенциала между двумя электродами — анодом и катодом. Чем выше эта разница, тем более опасна система. Второй важный фактор — наличие или отсутствие органических составляющих в аккумуляторе. К примеру, водные электролиты не горят, в отличие от органических, и не выдерживают потенциал выше 1,3–1,4 вольта. Энергоемкость аккумуляторов зависит от разницы потенциалов. Чем она выше, тем больше энергии в единице массы или объема. Третий параметр — это выделение из системы горючих газов. В ходе побочных реакций могут образовываться и накапливаться кислород или водород. В таком случае малейшая искра приведет к взрыву аккумулятора.

В наши дни наиболее распространены свинцовые аккумуляторы. Они обладают низкой плотностью энергии и много весят, поэтому больше подходят для хранения энергии. Часто их используют в автомобилях для запуска двигателя внутреннего сгорания. Для электротранспорта и мобильных устройств лучше всего подходят литийионные аккумуляторы. Многие считают, что в таких аккумуляторах есть металлический литий, однако это не так. Литий находится в них в ионизированной форме.

В литийионных аккумуляторах между анодом и катодом существует прослойка органического электролита. Самый распространенный электролит — это смесь органических карбонатов, в которой находится LiPF₆ — активное и термически нестабильное соединение. Это самая опасная часть аккумулятора. При температуре свыше 60ºC электролит начинает медленно разлагаться. В этом случае безопасность аккумулятора зависит от двух факторов: во-первых, от различия потенциалов катода и анода, во-вторых, от химической природы самого катодного материала. Существуют принципиально опасные материалы, которые химически нестабильны и могут при небольшом нагреве или изменении химического потенциала выделять кислород. К такому типу соединений относится кобальтат лития. Большинство аварий, возгораний и взрывов возникает именно на таком типе аккумуляторов.

Взрыв может возникнуть из-за неудачной конструкции устройства. Компания Samsung была вынуждена списать целую серию телефонов из-за неправильного расположения аккумулятора. Также взрыв возможен в ситуации соединения катода с анодом. Внутри системы происходит короткое замыкание — выделяется большое количество тепла. Такое может случиться в результате производственного брака. Частички электрода отслаиваются и могут соединить два электрода между собой. В этом случае произойдет перегрев, испарение и разложение электролита и, соответственно, выделение газа и взрыв.

Еще одна возможная причина взрыва аккумулятора — это некорректная зарядка. Если очень быстро разряжать или не заряжать аккумулятор, литий попадет в углерод не полностью. При очень быстрой разрядке аккумулятора могут вырасти дендриты — тонкие ниточки лития, которые тянутся от одного электрода к другому.

Аккумулятор может взорваться из-за механического воздействия. Если не хватит прочности стенок аккумулятора, катод с анодом сомкнутся, и возникнет взрыв. Во всех случаях соединения катода с анодом возникает короткое замыкание, нагрев и разложение электролита. После чего в самом лучшем случае происходит испарение. В некоторых системах стоят специальные клапаны, которые выпускают лишний электролит таким образом, чтобы он не взорвался. Самое главное в больших системах — это теплоотвод между отдельными ячейками. Если таких ячеек много, они стоят близко друг к другу и между ними нет теплоотвода, то они нагреваются.

Аккумулятор должен заряжаться и разряжаться только в штатном режиме. В современных больших аккумуляторах за этим следит электроника и препятствует нарушению режима. Существует еще одна система, которая внедряется внутрь мощных аккумуляторов, при которой электролит находится в сепараторе — пористой пленке.

Когда производитель выпускает аккумулятор, он совершает два установочных цикла. За это время на аноде образуется тонкая защитная пленка. Именно она препятствует прорастанию лития. Если ее не нарушить и не поднять температуру, литий прорасти не сможет. Производитель это обеспечивает в первом цикле.

Сейчас идет работа над созданием полностью безопасных аккумуляторов. Ученые разрабатывают систему, в которой жидкий органический электролит заменится стеклообразным или керамическим. Но пока эта система не доведена до устройства, которое бы продемонстрировало свои характеристики.