چرا برخی از باتری های لیتیوم یونی منفجر می شوند؟

منفجر شدن باتری ها دوباره در معرض توجه قرار گرفته اند و همراه با آن نگرانی هایی در مورد این که باتری های لیتیوم یونی که دستگاه های ما را تامین شارژ می کنند ممکن است به اندازه کافی ایمن نباشند ایجاد کرده است. برای تفاوت باتری های لیتیوم یونی و لیتیوم پلیمری این مقاله را بخوانید. 

آخرین قربانی خانومی در پرواز از پکن به ملبورن بود که زمانی که باتری در هدفون او منفجر شد دچار آسیب دیدگی از ناحیه صورت شد. این که لب ها و صورت کسی پر از دوده شود و پلاستیک های باقی مانده گوشی در لابلای موهای او گیر کند و دست های او تاول بزند آن هم هنگام یک سفر هوایی فاجعه انگیز است.

باتری و درب پشت گوشی هنگام منفجر شدن کاملا ذوب شده و به کف طبقه هواپیما چسبیده بود. اداره ایمنی حمل و نقل استرالیا مانع از آن شد که نام برند هدست و باتری گوشی مذکور منتشر شود.

در سال گذشته نیز گوشی گلگسی نوت 7 در آغاز پرواز هواپیمایی از لئیزیل به بالتیمور شروع به دود کردن می کند. صاحب گوشی دستورالعمل های خدمه را دنبال می کند و در جیب خود قرار می دهد که هیچ کدام افاقه نمی کنند. 

دلایل انفجار باتری های لیتیوم یونی

در این جا می خواهیم بدانیم چه چیزی باعث این مشکلات باتری های لیتیوم یونی است؟اشتباهات کوچک منجر به پیامدهای بزرگ شده اند.

باتری های لیتیوم یونی پرطرفدار هستند چرا که آن ها سبک، کوچک و چگالی انرژی بالایی دارند. آن ها مقدار زیادی شارژ درون خود ذخیره می کنند. با این حال، ساختار آن ها ظریف است و باید دقیق ساخته شوند. از آن جایی که تولیدکنندگان برای ساخت باتری های نازک با هزینه کم تحت فشار هستند کاستی ها شروع به آشکار شدن می کنند.

گزارش های سامسونگ مبنی بر شکست باتری های نوت 7 نشان می هد که خطاهای ماشین کاری کوچک می تواند عواقب زیادی داشته باشد. یک باتری لیتیوم یونی معمولی شامل سلولی با الکترودهای مثبت و منفی و یک جداساز نازک پلاستیکی است که اجازه می دهد یون ها در یک الکترولیت از این یک سو به سوی دیگر حرکت کنند.

یون های لیتیوم در طول فرآیند شارژ از طریق حلال الکترولیت از سمت الکترود منفی کربنی به سمت الکترود مثبت حرکت می کنند و موقع تخلیه شارژ نیز برمی گردند که جریان را خنثی می کنند. گرما دشمن باتری های لیتیوم یونی است و اگر مواد شیمیایی درون باتری با یکدیگر ترکیب شوند و منجر به گرما شوند به واکنش وحشتناگ تر و گرمای بیشتر می انجامد و در عرض میلی ثانیه شما چیزی به نام «فرار حرارتی» و یا آتش و احتمالا انفجار باتری را تجربه می کنید. مقاله نکات ایمنی هنگام شارژ کردن گوشی های سامسونگ، آیفون، آی پد را در این رابطه بخوانید. 

این می تواند در چندین روش رخ دهد:

• برای مثال اگر باتری ضعیف ساخته شده باشد و برخورد الکترودها با یکدیگر منجر به اتصال کوتاه شود.
• باتری ممکن است خیلی داغ شده و منجر به آتش گرفتن الکترولیت شده باشد.
• ممکن است جداساز صدمه دیده باشد و در نتیجه یک اتصال کوتاه برقرار شده باشد.
• بیش از حد در شارژ قرار دادن یا شارژ کردن بسیار سریع نیز می تواند مشکل ساز باشد اگر باتری با تکنولوژی شارژ سریعی که شما استفاده کرده اید مطابقت نداشته باشد. برای آشنایی با انواع تکنولوژی های شارژ سریع مقاله روبرو را بخوانید: تفاوت شارژرهای کوئیک شارژ، رپید شارژ، شارژر توربو و شارژر سریع یا فست شارژ چیست؟
• یک باتری حتی در نتیجه یک تصادف و برخورد نیز ممکن است منفجر شود. در آگوست سال قبل(2016) یک دورچرخه سوار اهل سیدنی هنگامی که از دوچرخه اش به زمین خورد به خاطر آتش گرفتن گوشی آیفون در جیبش دچار سوختگی شدید می شود. اگر باتری را سوراخ یا خرد کنید ممکن است یک اتصال کوتاه برقرار شود و در نتیجه آتش بگیرد.

دلایل آتش گرفتن باتری گلگسی نوت 7

در مورد باتری های گلگسی نوت 7، مشکل مربوط به دو خطای جداگانه تولید در دو کارخانه بود. سامسونگ در گزارشی اظهار داشت که در کمپانی X، الکترودها در گوشه راست بالای باتری به درستی درون بدنه اطراف خود جازده نشده بودند و خم شده و صدمه دیده بودند و نوک الکترودهای منفی نیز در جای اشتباهی قرار گرفته بودند.

در شرکت y، جوشکاری های روی الکترود مثبت باتری منجر به نفوذ نوار عایق و جداساز بین سر مثبت و الکترود منفی شده بودند. تعدادی از باتری ها نیز کاملا فاقد نوار عایق بودند. تمام این ها به طور بالقوه منجر به اتصال کوتاه در باتری می شد.

البته، راه های دیگری نیز برای ذخیره انرژی در باتری ها وجود دارد اما در حال حاضر باتری های لیتیوم یونی محبوب ترین گزینه هستند چرا که آن ها کم هزینه هستند، تولید بی دردسری دارند و عمدتا نیز ایمن هستند. 

چرا باتری های لیتیوم یونی هنوز منفجر می شوند و برای حل مشکل آن چه باید کرد؟

گوشی های جدید سامسونگ گلگسی نوت 7 در فروشگاه های آمریکا از روز پنجشنبه 21 سپتامبر عرضه شدند که بعد از منفجر شدن باتری های لیتیوم یونی این گوشی ها سامسونگ مجبور شد تقریبا یک میلیون گوشی خود را از مرجوع کند.

باتری های لیتیوم یونی چند سالی هست که اخبارهای این چنینی را می سازند؛ برای مثال آن ها منجر به آتش سوزی لپ تاپ ها، گوشی ها و دیگر سیستم های الکتریکی می شوند.

اما چرا با گذشت 25 سال از حضور این باتری ها در بازار، باتری های لیتیوم یونی هنوز با مشکلات این چنینی دست و پنجه نرم می کنند؟ مهندسان در نهایت چه راه حلی می خواهند ارائه کنند؟

ابتدا به بررسی یک واقعیت می پردازیم؛ با وجود این حوادث برجسته، اگر از نظر آماری بررسی کنید، می بینید که دستگاه های دارای باتری های لیتیوم یونی نسبتا ایمن هستند.

K.M. Abraham یکی از پیشگامان باتری لیتیوم یونی و پرفسور دانشگاه می گوید:« بیش از یک میلیون تلفن همراه و کامپیوتر در روزانه در سرتاسر جهان استفاده می شود و از نظر مقایسه ای تعداد حادثه های به وجود آمده نسبت به تعداد کل دستگاه های موجود عدد کوچکی است. احتمال آتش گرفتن گوشی شما بسیار پایین است. باتری های لیتیوم یونی نرخ شکست کمتر از یک در میلیون دارند ولی طبق گزارش سازمان بین المللی اقیانوسی و هوایی، احتمال برق گرفتگی شما در طول زندگی ان 1 به 13000 است.».

البته حتی یک آتش سوزی یا انفجار هم فاجعه بار است. در این مقاله قصد داریم تمام چیزهای مربوط به عوامل آتش گرفتن باتری های لیتیوم یونی و نیز تکنولوژی های بهبود یافته باتری تلفن همراه که در آینده در راه هستند را بررسی کنیم.

دلیل اصلی آتش گرفتن باتری های لیتیوم یونی

به طور معمول، این به خاطر نقصی در تولید است و این وضعیت در نوت 7 نیز اتفاق افتاد. اما مسئله اساسی این است که باتری های لیتیوم یونی دربردارنده انرژی زیاد در یک واحد کوچک هستند که البته همین دلیلی است که باعث شده استفاده از آن ها در هر چیز از گوشی ها گرفته تا ماشین های برقی Tesla پرطرفدار باشد.

یک باتری لیتیوم یونی چگالی انرژی تا حدود 160 وات ساعت در هر کیلوگرم(Wh/kg) دارد که تقریبا دوبرابر باتری های قلیایی جدید یا باتری های قابل شارژ NiCad می باشد.

برای تولید این مقدار انرژی، این باتری متکی به سه جزء اصلی می باشد؛ کاتود مثبت که از اکسید فلز ساخته شده است، آند منفی که از گرافیت ساخته شده و الکترولیت مایع که یک حلال شامل یون های نمک لیتیوم است که شارژ برقی را قادر می سازد تا بین دو قطب مثبت و منفی به جریان بیفتد.

آند و کاتد مثل دو شرور سر کلاس ریاضی باید از هم دور باشند وگرنه فاجعه می آفرینند. در باتری های لیتیوم یونی این کار توسط یک جداساز متخلخل پلی اتیلینی صورت می گیرد که ضخامت آن می تواند تا 10 میکرون نازک باشد. با بهبود باتری های مهندسان سعی می کنند انرژی یا شارژ بیشتری را درون واحدهای کوچکتر جای دهند که این باعث می شود ضخامت جداساز پلاستیکی به سر حدهای مجاز خود نزدیک شود.

 Isidor Buchmann بنیانگذار و مدیر عامل شرکت Cadex(شرکت تولید تجهیزات باتری) که مسئول سایت آموزشی Battery University نیز هست می گوید:«جداسازهای باتری ها واقعا نازک شده اند و وقتی این اتفاق بیفتد باتری ها ظریف تر و حساس تر می شوند».

زمانی که جداساز بشکند، منجر به یک اتصال کوتاه می شود که شروع کننده فرآیندی به نام «فرار حرارتی» است و این یکی از دلایل عمده شروع آتش سوزی است.

مواد شیمیایی درون باتری شروع به گرم شدن می کند که منجر به تخریب بیشتر جداساز می شود و این باتری می تواند در نهایت به درجه حرارت بیش از 1000 درجه فارنهایت برسد و در این لحظه الکترولیت قابل اشتعال باتری ممکن است آتش بگیرد یا حتی در مجاورت با اکسیژن هوا منفجر شود.

با وجود این فاجعه ها ممکن است روزی تولید باتری های لیتیوم یونی متوقف گردد؟

 Isidor Buchmannمی گوید:«به احتمال زیاد نه چون اگرچه ایمنی مهم است، اما یکی از فاکتورهای طراحی و ساخت باتری است. بیشتر موارد دیگر مربوط به چگالی انرژی، عمر باتری و عملکرد شارژ کردن می باشد».

باورهای اشتباه در مورد شارژ باتری های موبایل که باید فراموش شوند.

مقایسه باتری های لیتیوم یونی با رقبایش

Buchmann می گوید:« تولید چیزی بهتر از لیتیوم یونی دشوار است. اما شاید اصلا تولید آن نیاز نباشد چرا که باتری های لیتیوم یونی روز به روز دارند بهتر می شوند».

Abraham نیز می گوید:«تلاش های زیادی در جهت استفاده از متریال های بهتری که ایمنی را حتی زمانی که باتری نقص داشته باشد بهبود دهند صورت گرفته است. نسل بعدی باتری های لیتیوم یونی دارای جداسازهای پلیمری قوی تری خواهند بود که نقطه ذوب بسیار بالاتری دارند، نقطه ذوب جایی است که فرار حرارتی شروع می شود. و این تنها پیشرفت هایی نیست که ما در چند سال آینده انتظار داریم.»

او در ادامه می گوید:«الکترولیت های جدیدی عرضه می شوند که زمانی که در مجاورت هوا قرار بگیرند آتش نگیرند». 

اگرچه باتری های لیتیوم یونی در طراحی باتری های شان زبانزد هستند و این شهرت را همچنان ادامه خواهند داد اما انبوهی از مشتریان چشم انتظار شرکت هایی هستند که باتری های تولید کنند که ایمنی و عملکرد بالاتری نسبت به باتری های لیتیوم یونی داشته باشند.

متقاعد کننده ترین رقیب باتری های لیتیوم یونی باتری های حالت جامد«solid-state» هستند. در این باتری ها، الکترولیت مایع مشکل ساز با یک الکترولیت جامد جایگزین می شود که قابلیت اشتعال بسیار کمی نیز دارد. نتیجه آن یک باتری فوق العاده پایدار با چگالی انرژی بالا و با خطر انفجار یا آتش گرفتن بسیار کمتر می باشد.

این ارزیابی هرچند که حائز اهمیت است اما به نظر می رسد که نیمه پر لیوان را نشان می دهد. مشکل ذاتی باتری های حالت جامد این است که به خاطر جامد بودن الکترولیت شان یون ها خیلی آهسته تر حرکت می کنند که این منجر  کند شارژ شدن گوشی می شود. 

البته نوع دیگری از باتری های حالت جامد به نام باتری های لیتیوم-سولفور هستند که در حال حاضر در هواپیماهای بدون سرنشین در ارتفاع بالا استفاده می شوند که وزن سبک شان آن ها را برای این کار بسیار ایده آل کرده است. اما در این باتری نیز اشکال عمده ای وجود دارد. این باتری ها تعداد چرخه شارژهای محدودی دارند-در حال حاضر حدود 20 تا-و این بدان معناست که پیشرفت زیادی لازم است تا بتوان این باتری ها را در گوشی های موبایل، لپ تاپ ها و دیگر دستگاه های الکترونیکی به کار برد.