Материал к уроку
Как это устроено?.. Литиевые батарейки
Как это устроено?..
ЛИТИЕВЫЕ БАТАРЕЙКИ. После нескольких случаев взрывов литиевых батареек в персональных компьютерах встал вопрос о том, почему они могут так перегреваться, что возникал пожар? Параллельный вопрос: почему такой перегрев случался достаточно редко – лишь в несколько раз на сотни миллионов случаев? Литиевые батарейки различаются по составу, но во всех подзаряжаемых модификациях, включая те, что ставятся в фотоаппараты и сотовые телефоны, используется оксид лития-кобальта в качестве катода и графит в качестве анода. Во избежание опасных последствий процесс изготовления тщательно контролируется. Хотя стопроцентную гарантию безопасности никто дать не решается, рисковать имеет смысл – мы получаем четырёхкратное увеличение ёмкости батареи при снижении стоимости. Такие батарейки производятся с 2005 г., и с тех пор предпринято достаточно мер по обеспечению безопасности их эксплуатации. Новые оксиды для катодов и широкий диапазон материалов для анода (от графита до кремния) вместе со схемными решениями позволяют получать большой ток безо всякого риска возгорания и широко использовать литиевые батарейки в устройствах бытовой электроники.
• В литиевой батарейке запасается огромная энергия за счёт того, что катодные и анодные листы, разделённые сепаратором, очень плотно скручиваются и погружаются в электролит. Во избежание перегрева газ, выделющийся при электролитической реакции, удаляется через отверстие в корпусе. Если выделение газа слишком сильное, прокладка раздувается, и батарейка перестаёт работать. Если закоротить электроды извне, происходит быстрый разряд, вызывающий срабатывание схемы прерывателя тока, и батарейка размыкается.
• Обычно в персональных компьютерах ставят несколько пар батареек, соединяя эти пары последовательно. Электронные схемы контролируют ток разрядки и ток зарядки, а термистор измеряет температуру, давая сигнал при перегреве.
• Батарейка работает за счёт химической энергии. Литий в аноде ионизуется в электролите (соль лития), ионы лития мигрируют через пористый пластиковый сепаратор к катоду. Выcвободившиеся в результате реакции электроны движутся к аноду – в цепи течёт ток. Если к катоду приложить обратное напряжение, ионы потекут обратно к аноду, и батарейка подзарядится.
• В батарейках в форме таблеток ток течёт в результате перемещения ионов лития через электролитический сепаратор. Направление тока здесь изменить нельзя, поэтому такие батарейки не подзаряжаются.
• Первая причина перегрева – цепочка металлических частиц, замыкающая в результате некачественного изготовления анод и катод через сепаратор, и шунтирующая цепь (a). Выделяющееся на ней тепло может инициировать бурный процесс вплоть до возгорания. Вторая причина – осаждение лития на аноде (b) вследствие нежелательных химических реакций.
ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ, ЧТО?..
• Литий активно горит в присутствии даже следов влаги, поэтому не пытайтесь вскрывать литиевые батарейки. Не пытайтесь гасить огонь водой – она только усилит горение; используйте огнетушители только с химическим наполнителем. Корпус батарейки сильно нагревается или даже воспламеняется, если ток разрядки слишком велик (особенно, если батарейка хорошо заряжена) или если она долго лежит на солнце (например, на окне автомобиля). Не закорачивайте также выводы батарейки.
• Фирма Tesla представила свою разработку – полностью электрифицированное дорожное транспортное средство на 6381-й литиевой батарейке. Машина разгоняется за 4 с до скорости 70 км/ч и проходит на одной зарядке расстояние 400 км. На машине предусмотрены контроллеры, которые могут отключать целые секции, даже если какая-то батарейка загорелась. Ведутся эксперименты с батарейками на оксидах лития-магния-никеля.
• Любые батарейки со временем стареют и выходят из строя, но срок службы литиевых батареек особенно сильно зависит от условий эксплуатации: они портятся быстрее, если заряжены полностью и если они находятся при повышенной температуре. Например, литиевая батарейка в персональном компьютере, будучи полностью заряженной, при температуре окружающей среды 25 °С теряет за год 20% исходной ёмкости. Рекомендуется держать такие батарейки заряженными наполовину и хранить в холодильнике.
Scientific American, 2006, December, p. 112–113.
Сокр. пер. с англ. Н.Д.КОЗЛОВОЙ
пРОДОЛЖЕНИЕ СМ. В № 9/08