На сегодняшний день в мобильных устройствах часто используются литий-ионные аккумуляторы. Они используются с 1991 года, а в 2019 году «за развитие литий-ионных аккумуляторов» этой области ученым Гуденафу, Уиттингему и Ёсину была присуждена Нобелевская премия.
Литий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов: катода и анода. Материалы анода и катода наносятся на алюминиевую и медную фольгу. Электроды разделены пористым сепаратором – это перегородка, которая позволяет избежать непосредственного контакта электродов. Сепаратор должен быть пропитан электролитом – это вещество (чаще всего жидкость), которое обеспечивает движение ионов между электродами. Вся эта конструкция помещается в герметичный корпус.
Процессы заряда и разряда аккумулятора представляют собой переход ионов лития и электронов между электродами.
Литий-ионные аккумуляторы способны выдерживать большое количество циклов заряд-разряд, причем, в отличие от своих прошлых аналогов, в достаточно широком диапазоне температур. Так же для этого типа аккумуляторов характерны высокие значения энергоёмкости - это показатель того, какое количество электричества на единицу веса может нести аккумулятор.
Однако у литий-ионных аккумуляторов есть серьезный недостаток: они могут взрываться. Это может происходить по нескольким причинам.
В литий-ионных аккумуляторах могут прорастать дендриты – это пространственные волокна лития, прорастающие после многократных циклов заряд-разряда. Подобное явление происходит, когда в качестве одного из электродов используется чистый литий.
В результате прорастания дендритов возникает короткое замыкание, а это в свою очередь вызывает выделение большого количества тепла, то есть сильный нагрев устройства. Сильный нагрев может влиять на электролит.
При нагреве до критической температуры электролит разлагается и испаряется. Если при этом выделяется кислород, может произойти взрыв.
Сильный нагрев влияет и на материал электродов: если материал хотя бы одного из электродов химически нестабилен, и при нагревании разлагается с выделением кислорода, может произойти возгорание. К таким материалам относится, например, кобальтат лития - на нем основаны классические литий-ионные аккумуляторы.
Механическое воздействие так же может привести к таким последствиям. Например, если по каким-то причинам повреждается сепаратор, или кусочки одного из электродов отслаиваются и переходят на второй электрод, происходит сильный перегрев, электролит разлагается, выделяются газы. Из-за этого может произойти взрыв.
Влияет и конструкция аккумуляторов. Например, компания Samsung списала целую серию телефонов из-за дефекта устройств.
Для того, чтобы случаев возгорания и взрывов было меньше, используется ряд различных подходов.
Например, в конструкции аккумуляторов помещаются теплоотводы, чтобы не происходило сильного нагрева. Устанавливаются также специальные клапаны, которые выпускают испаряющийся электролит, не позволяя таким образом случиться взрыву. Используются прочные сепараторы, не допускающие разрывов, и материалы электродов и электролитов, не образующие при нагревании взрывоопасные газы.
Смартфоны с литий-ионными аккумуляторами взрываются достаточно редко. Но если аккумулятор очень быстро разряжать, а после этого долго не заряжать, то могут прорастать дендриты. Сильные механические воздействия (например, падения) или долгое нахождение на солнце также провоцируют прорастание дендритов. Часто аккумулятор “сигнализирует” о том, что приходит в неисправность: сильно нагревается при зарядке или долгой работе или же вообще вздувается - все это говорит о том, что в аккумуляторе происходят необратимые химические процессы.
Для того, чтобы аккумулятор прослужил дольше и безопаснее, необходимо корректно его использовать:
- не оставлять на долгое время разряженным;
- не перегревать;
- не ронять/ударять.