Почему взрывается современная электроника. Немного науки и аналогий.
Взрывающийся телефон еще недавно казался чем-то необычным. Но и в случае нормальной работы батареи, и в случае ее воспламенения работают, по сути, одни и те же химические процессы. Samsung прочувствовала это на собственной шкуре, будучи компанией, снявшей с производства собственное устройство (речь о смартфоне Galaxy Note 7).
Возгорание батареи - прямое свидетельство просчетов инженеров, которые стремятся выжать все возможное из имеющихся на данный момент технологий. Экраны становятся больше, процессоры - мощнее, поэтому им требуется все больше энергии, но ведь нам так не хочется жертвовать длительностью работы или скоростью зарядки.
Как считает Линден Арчер (материаловед из Университета Корнелла, США) на данный момент производители на 90% достигли теоретического максимума емкости литий-ионных батарей, но продолжают пытаться выжать из них еще чуть больше энергии. "На практике это приводит к тому, что батареи все чаще получают перезаряд," - заключает он.
Samsung винит в ситуации с Galaxy Note 7 тот факт, что в некоторых устройствах два электрода батареи в некий момент оказывались замкнуты. Но обычная литий-ионная батарейка может выйти из строя не только так. Стоит напомнить менее внимательным читателям, что литий-ионные батареи применяются в подавляющем большинстве не только смартфонов, но и портативной электроники в целом. Инженеры склоняются к литию, потому что он легок и может накапливать много энергии.
Samsung уверял, что проблеммные батареи попали лишь в менее 0,1% от общего количества произведенных смартфонов, но снятие с производства - это дело не шуточное, даже для гиганта электронной промышленности. К тому же Note 7 поступил в продажу меньше месяца назад и отзывы о нем были преимущественно положительными.
Чтобы понять, как сделать батарею безопасной для использования, необходимо понимание принципа ее работы. Если утрировать: имеем пару электродов в разных частях батареи. Положительно заряженный катод заполнен литием, который и является "топливом". Во время заряда ионы лития перемещаются от катода к отрицательно заряженному аноду. Когда батарея отдает заряд, ионы лития двигаются в обратном направлении. Пространство между электродами заполнено химическим электролитом, который проводит ток, упрощая перемещение носителей заряда. Но несмотря на то, что ионы должны перемещаться из конца в конец, сами электроды не должны замыкаться накоротко, потому что в таком случае вся энергия высвободится в электролит. Чтобы этого избежать, производители батарей встраивают специальные разделители или сепараторы.
Но именно это произошло в случае Galaxy Note 7: сепараторы оказались неспособны выполнять свою задачу, поэтому электроды могли случайно замкнуться. "Такой брак можно считать самым страшным из возможных, потому что эта ситуация почти наверняка приводит к возгоранию, а иногда и взрыву батареи," - поясняет Арчер. Когда электроды замыкаются, вся поступающая от зарядного устройства энергия попадает напрямую в электролит, а не на один из электродов.
Электролиты и сами не очень стабильны, а быстрое движение заряженных частиц в них приводит к еще большей нестабильности. Когда температура вырастает до критического значения - будь то в случае короткого замыкания электродов или банально из-за жары на улице - электролит может вступить в реакцию с другими химическими элементами и начать выделять газ, при чем эта реакция также сопровождается выделением тепла. Каждый цикл реакции выделяет все больше тепла. Это создает неконтролируемый лавинный рост температуры, который называется "тепловым убеганием". И это может стать причиной пожара.
Именно поэтому многие телефоны выключаются в жару. Но батареи могут взрываться и по другим причинам, например, при превышении скорости заряда или при перезаряде. Перезаряд можно сравнить с переливом стакана через край. Не имеет значения, насколько медленно вы льете воду, потому что если налить слишком много, вода просто не вместится. В аккумуляторах перезаряд происходит тогда, когда на анод попадает слишком много ионов лития. Не бойтесь оставлять телефон на зарядке на ночь - подавляющее большинство современных батарей автоматически предотвращяют перезаряд. Но в случае заводского брака в цепи контроллера опасность может стать реальной.
Дэн Стейнгарт (материаловед из университета Принсентона) сравнивает батареи с резинками для волос: когда вы заряжаете батарею, резинка растягивается; когда вы пользуетесь устройством, резинка высвобождается. Как и резинка для волос может порваться, если ее растянуть слишком сильно, так приложение большого количества энергии к одному из электродов может вывести из строя батарею.
Но есть и проблема превышения скорости заряда. Такое случается, когда в батарею поступает слишком много энергии сразу, что является обратной стороной технологии "быстрого заряда". Если зарядное устройство каким-либо образом оказывается несовместимо с заряжаемой батареей, последняя также может оказаться замкнутой накоротко. Этого легко избажать, просто пользуясь оригинальными и авторизованными производителем устройства аксессуарами.
Слишком быстрая или слишком мощная зарядка аккумулятора могут привести к выпадению осадка металла на электроде. Стейнгарт предлагает очередную аналогию. Представьте, что батарея - это два лотка для яиц. Ионы лития должны перемещаться между ячейками в разных лотках, находя себе безопасное место между перемещениями. Если вы заряжаете батарею медленно, ионы лития будут успевать найти свободную ячейку в каждом из лотков. Но ускорьте процесс или количество ионов, и литий просто начнет накапливаться снаружи лотка. При каждой последующей зарядке литий будет накапливаться поверх уже выпавшего осадка, что приведет к формированию игольчатых наростов, называемых дендритами, который и приведут к закорачиванию батареи.
Последний из самых частых видов неисправности батареи случается, когда инженеры стараются заставить их накапливать больше энергии, повышая рабочее напряжение. Представьте, что напряжение - это высота водопада, тогда как сила тока - это количество падающей воды. Чем выше напряжение, тем больше энергии, поэтому многие производители электроники стараются повысить этот показатель, добавляя к литию такие элементы, как, скажем, никель. Но опять же, чем выше напряжение, тем больше вероятность того, что электролит прореагирует с выделением тепла.
Некоторые исследователи стараются создать такой электролит, который бы не был так легко воспламеняем. Таким электролитам, их еще называют "ионными жидкостями", требуется гораздо больше тепла для выделения огнеопасного газа, поясняет Сария Моганти, инженер-химик в должности директора технологического департамента Nohms Technology. Эти жидкости гораздо безопаснее, но и время работы устройств с такими аккумуляторами оставляет желать лучшего.
Ну а пока достойной замены не придумано, нам не остается ничего, кроме привычных "Li-ion". Сам факт того, что эти батареи были изобретены, можно назвать гениальным инженерным успехом, но такое признание не способно снизить химическую нестабильность. "Если что-то способно накапливать большое количество энергии, всегда будет сохраняться возможность того, что вся она выйдет наружу одним махом, поэтому стоит относиться к этому, как к потенциальной бомбе вне зависимости от внутреннего устройства," - подводит неутешительный итог Стейнгарт. Технологии изготовления батарей развиваются, но этого темпа недостаточно для покрытия спроса на быструю зарядку и большее время работы. Производителям потребительской электроники стоит помнить об этом и защищать нас от наших собственных желаний.
Возгорание батареи - прямое свидетельство просчетов инженеров, которые стремятся выжать все возможное из имеющихся на данный момент технологий. Экраны становятся больше, процессоры - мощнее, поэтому им требуется все больше энергии, но ведь нам так не хочется жертвовать длительностью работы или скоростью зарядки.
Как считает Линден Арчер (материаловед из Университета Корнелла, США) на данный момент производители на 90% достигли теоретического максимума емкости литий-ионных батарей, но продолжают пытаться выжать из них еще чуть больше энергии. "На практике это приводит к тому, что батареи все чаще получают перезаряд," - заключает он.
Samsung винит в ситуации с Galaxy Note 7 тот факт, что в некоторых устройствах два электрода батареи в некий момент оказывались замкнуты. Но обычная литий-ионная батарейка может выйти из строя не только так. Стоит напомнить менее внимательным читателям, что литий-ионные батареи применяются в подавляющем большинстве не только смартфонов, но и портативной электроники в целом. Инженеры склоняются к литию, потому что он легок и может накапливать много энергии.
Samsung уверял, что проблеммные батареи попали лишь в менее 0,1% от общего количества произведенных смартфонов, но снятие с производства - это дело не шуточное, даже для гиганта электронной промышленности. К тому же Note 7 поступил в продажу меньше месяца назад и отзывы о нем были преимущественно положительными.
Чтобы понять, как сделать батарею безопасной для использования, необходимо понимание принципа ее работы. Если утрировать: имеем пару электродов в разных частях батареи. Положительно заряженный катод заполнен литием, который и является "топливом". Во время заряда ионы лития перемещаются от катода к отрицательно заряженному аноду. Когда батарея отдает заряд, ионы лития двигаются в обратном направлении. Пространство между электродами заполнено химическим электролитом, который проводит ток, упрощая перемещение носителей заряда. Но несмотря на то, что ионы должны перемещаться из конца в конец, сами электроды не должны замыкаться накоротко, потому что в таком случае вся энергия высвободится в электролит. Чтобы этого избежать, производители батарей встраивают специальные разделители или сепараторы.
Но именно это произошло в случае Galaxy Note 7: сепараторы оказались неспособны выполнять свою задачу, поэтому электроды могли случайно замкнуться. "Такой брак можно считать самым страшным из возможных, потому что эта ситуация почти наверняка приводит к возгоранию, а иногда и взрыву батареи," - поясняет Арчер. Когда электроды замыкаются, вся поступающая от зарядного устройства энергия попадает напрямую в электролит, а не на один из электродов.
Электролиты и сами не очень стабильны, а быстрое движение заряженных частиц в них приводит к еще большей нестабильности. Когда температура вырастает до критического значения - будь то в случае короткого замыкания электродов или банально из-за жары на улице - электролит может вступить в реакцию с другими химическими элементами и начать выделять газ, при чем эта реакция также сопровождается выделением тепла. Каждый цикл реакции выделяет все больше тепла. Это создает неконтролируемый лавинный рост температуры, который называется "тепловым убеганием". И это может стать причиной пожара.
Именно поэтому многие телефоны выключаются в жару. Но батареи могут взрываться и по другим причинам, например, при превышении скорости заряда или при перезаряде. Перезаряд можно сравнить с переливом стакана через край. Не имеет значения, насколько медленно вы льете воду, потому что если налить слишком много, вода просто не вместится. В аккумуляторах перезаряд происходит тогда, когда на анод попадает слишком много ионов лития. Не бойтесь оставлять телефон на зарядке на ночь - подавляющее большинство современных батарей автоматически предотвращяют перезаряд. Но в случае заводского брака в цепи контроллера опасность может стать реальной.
Дэн Стейнгарт (материаловед из университета Принсентона) сравнивает батареи с резинками для волос: когда вы заряжаете батарею, резинка растягивается; когда вы пользуетесь устройством, резинка высвобождается. Как и резинка для волос может порваться, если ее растянуть слишком сильно, так приложение большого количества энергии к одному из электродов может вывести из строя батарею.
Но есть и проблема превышения скорости заряда. Такое случается, когда в батарею поступает слишком много энергии сразу, что является обратной стороной технологии "быстрого заряда". Если зарядное устройство каким-либо образом оказывается несовместимо с заряжаемой батареей, последняя также может оказаться замкнутой накоротко. Этого легко избажать, просто пользуясь оригинальными и авторизованными производителем устройства аксессуарами.
Слишком быстрая или слишком мощная зарядка аккумулятора могут привести к выпадению осадка металла на электроде. Стейнгарт предлагает очередную аналогию. Представьте, что батарея - это два лотка для яиц. Ионы лития должны перемещаться между ячейками в разных лотках, находя себе безопасное место между перемещениями. Если вы заряжаете батарею медленно, ионы лития будут успевать найти свободную ячейку в каждом из лотков. Но ускорьте процесс или количество ионов, и литий просто начнет накапливаться снаружи лотка. При каждой последующей зарядке литий будет накапливаться поверх уже выпавшего осадка, что приведет к формированию игольчатых наростов, называемых дендритами, который и приведут к закорачиванию батареи.
Последний из самых частых видов неисправности батареи случается, когда инженеры стараются заставить их накапливать больше энергии, повышая рабочее напряжение. Представьте, что напряжение - это высота водопада, тогда как сила тока - это количество падающей воды. Чем выше напряжение, тем больше энергии, поэтому многие производители электроники стараются повысить этот показатель, добавляя к литию такие элементы, как, скажем, никель. Но опять же, чем выше напряжение, тем больше вероятность того, что электролит прореагирует с выделением тепла.
Некоторые исследователи стараются создать такой электролит, который бы не был так легко воспламеняем. Таким электролитам, их еще называют "ионными жидкостями", требуется гораздо больше тепла для выделения огнеопасного газа, поясняет Сария Моганти, инженер-химик в должности директора технологического департамента Nohms Technology. Эти жидкости гораздо безопаснее, но и время работы устройств с такими аккумуляторами оставляет желать лучшего.
Ну а пока достойной замены не придумано, нам не остается ничего, кроме привычных "Li-ion". Сам факт того, что эти батареи были изобретены, можно назвать гениальным инженерным успехом, но такое признание не способно снизить химическую нестабильность. "Если что-то способно накапливать большое количество энергии, всегда будет сохраняться возможность того, что вся она выйдет наружу одним махом, поэтому стоит относиться к этому, как к потенциальной бомбе вне зависимости от внутреннего устройства," - подводит неутешительный итог Стейнгарт. Технологии изготовления батарей развиваются, но этого темпа недостаточно для покрытия спроса на быструю зарядку и большее время работы. Производителям потребительской электроники стоит помнить об этом и защищать нас от наших собственных желаний.