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Warum explodieren Batterien?

 

Warum explodieren Batterien?Benutzer von Smartphones und Tablets sind sich natürlich der Explosionsgefahr von Lithiumbatterien in ihren Geräten bewusst. Und markante Beispiele müssen nicht weit gehen. Vor kurzem hatte Samsung beispielsweise persönlich mit einem schmerzhaften Problem zu kämpfen und musste sich an die erste Serie des neuen Note 7 erinnern, da die Akkus während des Ladevorgangs explodierten. Auf die eine oder andere Weise bleibt das Problem vom Beginn des Auftretens von Mobiltelefonen an gleich. Selbst im Jahr 2016 verbot die ICAO kommerzielle Sendungen in den Frachträumen des zivilen Verkehrs Lithiumbatterien.


Die Essenz des Problems mit Lithiumbatterien

Tatsache ist, dass beim Laden einer Lithiumbatterie in einem mobilen Gerät unter Verwendung des in die Batterie eingebauten Mikrocontrollers ein ziemlich komplizierter Algorithmus zum Implementieren dieses Prozesses implementiert wird, so dass die Batterietemperatur nicht über den akzeptablen Temperaturbereich hinausgeht. Der Controller überwacht zu diesem Zweck viele Parameter des Akkus während des Ladevorgangs.

Neben dem eigentlichen Ladevorgang erfordert die Lagerung des Akkus auch die Einhaltung bestimmter Regeln, insbesondere hinsichtlich der Temperatur: Sie können den Akku weder überhitzen noch unterkühlen.

Die Essenz des Problems mit Lithiumbatterien

Das Hauptproblem, das dazu führt, dass Batterien explodieren, ist Übermäßige Erwärmung des Elektrolyten durch Überschreiten der zulässigen Temperatur oder durch einen Kurzschluss in der Batteriezelle. Die Kettenreaktion wird innerhalb der überhitzten Zelle leicht ausgelöst, da das Alkalimetalllithium sehr leicht entzündet wird, wodurch die Batterie anschwillt und im schlimmsten Fall explodiert.

Und trotz des Vorhandenseins eines „aufmerksamen“ Controllers kann ein versehentlicher Fabrikfehler (unzureichende Dicke des Isolators zwischen den Zellen) auftreten und zu traurigen Folgen führen.

Natürlich sind Stöße, Pannen, Reifenpannen und Überhitzung in der Sonne gefährlich. Selbst wenn die Batterie heruntergefallen ist und leicht getroffen hat, kann es im Inneren zu einem Ausfall des Isolators kommen. Dies kann in Zukunft zu plötzlichen Problemen führen, auch ohne offensichtliche Überhitzung.


Explosionsgrund für Lithiumbatterien

Die Anode und Kathode der Lithium-Ionen-Batterie sind durch einen porösen Polymerabscheider getrennt. Auf der Kathode befindet sich ein aktives Material, für das häufig Oxide von Übergangsmetallen verwendet werden, in die Lithiumionen eingebettet sind. Die Anode ist normalerweise Graphit. Als Elektrolyt wird eine organische Lösung von Lithiumsalzen verwendet.

Während der ersten Ladung in der Anlage wird Lithium in die Anode eingebaut und auf den Elektroden bildet sich eine Schicht aus zersetztem Elektrolyt, die nun als Schutz vor unnötigen Reaktionen dient und dabei ionenleitend bleibt.

Explosionsgrund für Lithiumbatterien

Wie oben erwähnt, ist ein interner Kurzschluss eine der Hauptursachen für die Selbstentzündung der Batterie. Die Ursache für den Kurzschluss selbst können physikalische Schäden oder Fabrikfehler sein, wie z. B. ungleichmäßiges Schneiden der Elektroden oder das Eindringen von Metallpartikeln zwischen Kathode und Anode, die die Integrität der Separatorschicht verletzen.

Ein weiterer Grund für den Verschluss ist das Wachstum von Lithiummetallketten durch den Separator (wenn die Lithiumionen im Werk aufgrund zu schneller Aufladung oder Überkühlung nicht genügend Zeit hatten, sich vollständig in den Anodenkristall zu integrieren, oder wenn die Kapazität des aktiven Materials der Kathode größer ist als die Kapazität der Anode, was zu Ablagerungen führt auf der Anode, die dann langsam aber unaufhaltsam wächst).

Wenn also ein Kurzschluss auftritt, beginnt die Batterietemperatur zu steigen, und wenn sie 70-90 ° C erreicht, beginnt die Zersetzung der schützenden ionenleitenden Schicht der Anode. Die Lithiumanode reagiert mit einem Elektrolyten, während brennbare Kohlenwasserstoffe wie Ethylen, Methan, Ethan usw. freigesetzt werden.Aber es ist zu früh vor dem Feuer, weil nicht genug Sauerstoff vorhanden ist.

Währenddessen ist die exotherme Reaktion eingeschaltet und die Temperatur steigt, der Druck im Batteriegehäuse steigt. Bei 180-200 ° C beginnt die Disproportionierungsreaktion an der Kathode, wo Sauerstoff freigesetzt wird. Die Zündung erfolgt, die Temperatur steigt stark an und der Elektrolyt zersetzt sich thermisch, die Temperatur beträgt bereits 200-300 ° C.

Schließlich ist Graphit an der Reihe, und wenn die Temperatur 660 ° C erreicht, beginnt das Aluminium des Stromkollektors zu schmelzen. Die maximale Temperatur in diesem gesamten Prozess hat normalerweise keine Zeit, 900 ° C zu überschreiten, da alles schnell mit der vollständigen Zersetzung der internen Komponenten der Batterie endet.

Batterieexplosion

Es ist bereits erfolgreich, eine Lösung für das Problem zu finden

Um das Problem zu lösen, können Smartphone-Hersteller die Vorschriften verschärfen, zusätzliche Sicherungen in Geräten und Batterien vornehmen und Steuerungen komplizieren. Dies erhöht jedoch die Kosten für Batterien und alle Produkte, die mit einer Batterie geliefert werden. Unternehmen konkurrieren miteinander und können es einfach wirtschaftlich nicht.

In der Zwischenzeit kämpfen Physiker aus Stanford für die Sicherheit von Lithiumbatterien, die bereits im Sommer 2015 einen speziellen Schutzmechanismus entwickelt haben, der bereits in der Produktionsphase in die Batterie eingebaut ist.

Tatsächlich handelt es sich um einen neuen Typ von Lithiumbatterien, die sich automatisch ausschalten, wenn ihr Inneres eine potenziell gefährliche Temperatur erreicht (was verhindert, dass der Prozess zu einem nachfolgenden Brand führt), und sich nach einer Weile nach dem Abkühlen automatisch wieder einschalten.

Die Autoren der Entwicklung behaupten, dass dies die erste Lithiumbatterie ist, die wiederholt ausgeschaltet und wiederhergestellt werden kann, ohne ihre Eigenschaften und Leistung zu verlieren.

Die Entwicklung wurde mehrere Jahre lang von einem Team von mehreren Personen (einschließlich Zhenan Bao) durchgeführt. Infolgedessen wies eine Batterie zwei Hauptnachteile auf - einen starken Rückgang der Batteriekapazität nach mehreren Ladezyklen und vor allem eine Neigung zu Feuer und Explosion aufgrund von Überhitzung ( Kettenreaktion stoppt automatisch).

Die Entscheidung fiel auf Wissenschaftler aus einem ganz anderen Gebiet der Physik. Sie stellten Thermometer aus Nickel-Nanopartikeln her, die in eine dünne Schicht aus Graphen und Kunststoff eingebettet waren. Dies waren ungewöhnliche Thermometer. In Ruhe standen die Nickelteilchen miteinander in Kontakt, dh es wurde ein guter Stromleiter erhalten. Beim Erhitzen der Folie begann sich der Kunststoff ein wenig auszudehnen, was zu einer Schwächung des Kontakts zwischen den leitenden Nickelpartikeln führte und den Widerstand des gesamten Leiters erhöhte.

Diese Eigenschaft wurde von Forschern aus Stanford zum sofortigen automatischen Schutz von Lithiumbatterien und zur vollautomatischen Wiederherstellung des Kontakts nach dem Abkühlen verwendet. Sie klebten eine Folie aus einem solchen Kunststoff an eine der Elektroden der Batterie, damit diese mit zunehmender Temperatur an Leitfähigkeit verliert. Und wenn die Temperatur 70 ° C erreicht

Modernes Handy

Trotz der Lösung trauen sich die Hersteller mobiler Geräte immer noch nicht, die im Laufe der Jahre entwickelte Produktionstechnologie ihrer Batterien drastisch zu ändern. Daher müssen sich Gadget-Benutzer einige Zeit mit der potenziellen Gefahr von Lithiumbatterien auseinandersetzen und versuchen, ihre Mobilgeräte und insbesondere Batterien nicht fallen zu lassen oder zu überhitzen. Vielleicht wird das Problem in naher Zukunft vollständig gelöst sein.

Siehe auch: Ordnungsgemäße Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien

Siehe auch auf i.electricianexp.com:

  • Lithium-Polymer-Batterien
  • Lithium-Ionen-Batterien
  • Transparente Batterie
  • Aluminiumbatterien
  • Innenwiderstand der Batterie

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    Kommentare:

    # 1 schrieb: Ruslan | [Zitat]

     
     

    "Übermäßige Erwärmung des Elektrolyten durch Überschreiten der zulässigen Temperatur" - tuftalogichny tuftalogika tuftalogii.