Što uzrokuje eksplozije, samozapaljenje i pregrijavanje baterija u pametnim telefonima?

Samsung nije prvi proizvođač mobitela koji ima problema s rizičnim baterijama i samozapaljenjem u Galaxy Note 7.  Na popisu se već nalaze Nokia s 46 milijuna baterija proizvedenih u razdoblju od prosinca 2005. do studenog 2006.godine i Apple s modelima iPhone 4 i iPhone 5. Problem ne staje samo ni s telefonima, i samozapaljenja litija su bila uzrok i avionskih nesreća kao što je UPS-ov let 6, zbog čega je i zabranjen njihov prijevoz u bulku na putničkim letovima. Što uzrokuje eksplozije, samozapaljenje i pregrijavanje  baterija?

Moderne baterije su litij-ionske. Imaju odličan omjer snage /mase i prazne se sporo dok nisu u upotrebi. Nemaju memorijski efekt tj. ne gube kapacitet poslije nekoliko nepotpunih punjenja i pražnjenja. Međutim, nepropisna upotreba ili punjenje, izloženost visokim temperaturama i izravnoj sunčevoj svjetlosti, te oštećenja ili loša izrada stvaraju ih vrlo opasnim. Iako postoji zaštita u obliku elektroničkog sklopa, otopine koje uključuje reagense koji blokiraju kemijsku reakciju kada baterija dosegne 130 ° C itd., sigurnosni rizici samozapaljenja i eksplozija su uvijek tu.

Kako bi vam objasnili zašto su litij-ionske baterije podložne samozapaljenju, potrebno je upoznati prvo se s nekim osnovama.

Anatomija baterija i princip rada

Baterija je komponenta koja pretvara kemijsku energiju pomoću elektrokemijske reakcije u električnu energiju i obrnuto. U njezinoj unutrašnjosti je ugljikova anoda (negativna grafitna elektroda), katoda (pozitivna elektroda) koja je litij oksid, i elektrolit – litijeva sol u organskom otapalu.

Tijekom procesa pražnjenja litijevi ioni kreću se od negativne elektrode ka pozitivnoj. Odnosno anoda predaje elektrone u strujni krug, a katoda u redukcijskom procesu prihvaća elektrone iz strujnog kruga dok u elektrolitu struju prenose ioni litija. Suprotan se proces zbiva prigodom punjenja baterije. Ukratko, baterija se puni/prazni pod utjecajem primijenjenog električnog polja.

Separatori

Baterija ima osim spomenutih komponenti još jednu vrlo bitnu kojom proizvođači poboljšavaju njenu autonomiju. To je (polimerni, papirni ili keramički) separator. Uloga mu je povećanje energetske gustoće** baterije tako da poboljšava gibanje nabijenih iona (transfer energije). Odnosno, omogućava protok elektrolita za uravnoteživanje napona djelujući poput selektivne membrane. No, ovi separatori i sprječavaju direktni elektronski kontakt između anoda i katoda što može uzrokovati kratki spoj, iskrenje ili eksploziju.

Samsung Galaxy Note 7 – uzrok eksplozije baterija

Prema Samsungu, upravo je separator bio ključan element koji je uzrokovao kratki spoj i eksploziju baterija za Galaxy Note 7. Ostaje samo nejasno je li proizvođač baterija u želji postizanja bolje energetske gustoće** prešao dopuštenu granicu tankoće separatora, nedovoljno pokrio područje zaštite ili je (sagorio) uslijed visokih temperatura. Naime, temperatura viša od 130 stupnjeva može uzrokovati raspad separatora.

** Energetska gustoća baterije je omjer sadržane električne energije i mase baterije. Veća gustoća energije predstavlja lakšu bateriju uz isti kapacitet i nazivni napon. Mjerna jedinica je Wh/kg (Vat sati po kilogramu). Za litij-ionske baterije brojka se kreće između 150 i 250 Wh / kg.

Zato je vrlo bitna toplinska izolacija kod baterija kako bi se temperatura uvijek održavala unutar normalnog raspona.  Evo, jedan primjer za održavanje normalne temperature u bateriji je Samsungova nadogradnja sustava za Note 7 koja ograničava punjenje baterije na kapacitet do 60%.

Ostali uzroci pregrijavanja baterija

Jedan od ostalih uzoraka pregrijavanja baterije mogli bi pripisati arhitekturi uređaja. Neki procesori imaju tendenciju da se zagriju više od drugih. Tako generiraju više topline u kućištu, a koja se prenosi direktno i na bateriju. Jedan od primjera je Snapdragon 810. Podsjetimo, takt  se spuštao svaki put kada je temperatura u kućištu prelazila granicu od 60 stupnjeva.

Daljnji uzrok porasta temperature baterije može biti loša optimizacija operativnog sustava. Ako su zahtjevi na CPU ili GPU vrlo intenzivni cijelo vrijeme rada, to je veći stres na bateriju koja se sve više zagrijava.

Osim toga mnogi korisnici vole dok pune bateriju odigrati neku igru, gledati video sadržaj na YouTube kanalu, slušati glazbu i sl. To nije mudro. Zašto? Za vrijeme punjenja sila koja gura ione u suprotnom smjeru od aktivnog procesa punjenja (ponovno pražnjenje), stvara “električni trenje” . Ono bi moglo dovesti do pregrijavanja baterije, iskrenja, a time i eksplozije. Pridodamo li tome temperature koje se razvijaju u tankom kućištu, mislimo da vam je jasno zašto bi bilo dobro pustiti uređaj „na miru“ tijekom punjenja baterije.

Najopasniji uzrok pregrijavanja baterije ipak je loš punjač, strujni adapter ili kvar punjača. Znamo da cijena punjača brendiranih od strane proizvođača uređaja nije mala, ali ne treba podcjenjivati sigurnosne rizike ako koristite punjač treće strane umjesto originalnog. Naglasak je ovdje na “trećoj strani”.

I na kraju bilo bi zgodno da znate još jedan podatak: Za razliku od litij-ionskih baterija, litij-polimer ili litij-ion polimer baterije (LiPo), imaju elektrolit u litij soli koji nije u organskom otapalu već u čvrstom polimernom nezapaljivom kompozitu što smanjuje rizike koji dovode do eksplozije ili samozapaljenja. Ali zato imaju veću stopu razgradnje u životnom ciklusu. Kako se kaže, negdje se dobije negdje izgubi.