Литиевые аккумуляторы — всего лишь накопители энергии. Но после оглушительного провала Samsung Note 7 и не менее громкого случая возгорания электромобиля Tesla.Возникает вопрос: а насколько они вообще безопасны?
Североамериканская пресса обожает Илона Маска и с наслаждением смакует успешные проекты его компаний Tesla и SpaceX. Не обделяют вниманием журналисты и сенсационные неудачи, которые их преследуют, в особенности это касается автомобилей на аккумуляторах. Так, новость о том, что в начале ноября 2016 года в Индианаполисе взорвался электрокар Tesla Model S, разнеслась по всем медиа каналам с быстротой молнии. Размашистые заголовки внушали читателям, что самоуправляемая техника стоила человеческих жизней, как в случае с ДТП во Флориде, когда включенный автопилот не справился с управлением, в результате чего электрокар въехал под полуприцеп (см. goo.gl/DCXjpk).
Не меньшее внимание привлек флагманский смартфон Samsung Galaxy Note 7,
получивший свою печальную славу вскоре после старта продаж благодаря многочисленным инцидентам с самовозгоранием, в том числе и во время бездействия гаджета. Производителю так и не удалось решить проблему с аккумулятором, по- этому пришлось отозвать фаблет из продажи, когда взрываться стали даже устройства, предназначенные для замены и поначалу признанные компанией абсолютно безопасными.
Тем не менее ни один из этих случаев не должен стать причиной всеобщей боязни литий-ионных аккумуляторов. По крайней мере, так считает доктор Вернер Тильметц, профессор Центра по исследованиям в области солнечной и водородной энергетики в Ульме (Германия). По его словам, случай с Samsung, в частности, показывает, что требования производителей смартфонов довели развитие технологии производства аккумулятора друг от друга. Нарушение технологии производства, например, де- формация слоя, вовсе не обязательно приводит к дефекту, который может обнаружить контроль качества, зато через некоторое время может стать причиной короткого замыкания внутри ячейки. Проблема заключается в том, что, как выражается профессор Тильметц, электрохимические ячейки «дышат», — изменение структуры кристалла во время зарядки слегка их растягивает, а при разрядке они снова сжимаются. Подобная механическая нагрузка в процессе постоянной эксплуатации может полностью разорвать сепаратор, если ранее он уже был поврежден.
Короткие замыкания внутри ячеек приводят к возникновению очень высоких токов и перегреву. Температура становится критичной при 200–220 °C. При таких температурах повышается давление, которое приводит к разрушению ячейки. Электролит, которым залита ячейка, начинает вступать в реакции, выделяя летучие вещества. Примерно при 220 °C разлагается материал электродов, в результате реакции выделяется водород, который воспламеняет искра, превращая в язык пламени. Конечно, подобные повреждения аккумуляторов опасны, но Тильметц ссылается на статистику: проблема коснулась лишь каждого сорокатысячного устройства из целых двух миллионов выпущенных Samsung Galaxy Note 7.
Автомобили на бензине горят чаще.
К сожалению, причиной несчастного случая в Индианаполисе стало совсем другое. Тогда в результате возгорания машины погибли два человека, однако аккумулятор оказался ни при чем. Электрокар на высокой скорости мчался по городу, водитель не справился с управлением и врезался в дерево. По свидетельству одного из очевидцев, сразу вслед за этим последовал мощный взрыв. Пожарные справились с огнем только через четверть часа — к тому времени спасать людей было уже поздно. Тильметц считает очень маловероятной версию крупномасштабного взрыва аккумулятора электромобиля. Судя по видеозаписи, опубликованной одним из участвовавших в спасении пожарных, дело происходило следующим образом: из-за сильного нагрева отдельные ячейки поврежденного аккумулятора Tesla начали разрываться одна за другой и искрить, после чего их выбросило в воздух. Тем не менее по интенсивности взрыв напоминает эффект не столько разорвавшейся бомбы, сколько пиротехнической шашки.
Если в аккумуляторе между ячейками не предусмотрена хорошая изоляция, загоревшаяся и разорвавшаяся ячейка нагревает соседнюю — и запускается цепная реакция, так называемый тепловой разгон, который вызывает еще больший скачок температуры, но происходит это, по словам профессора, не взрывообразно, а в течение нескольких минут. В конце концов, во всех известных случаях возгорания электрокаров Tesla все происходило таким образом, что водитель мог без особых затруднений остановить машину и выйти. И снова Тильметц ссылается на статистику, на этот раз по электромобилям. Возгорание традиционных автомобилей с бензиновым двигателем в результате ДТП или ввиду наличия дефектов происходит довольно часто. В одной только Германии, например, ежегодно фиксируется несколько тысяч подобных случаев. На вопрос, является ли электрокар более пожароопасным, чем автомобиль на горючем топливе, у Тильметца есть четкий ответ: «Нет». Наоборот, вероятность взрыва бензина из-за большого количества энергии даже выше: 50 литров топлива — это как минимум 450 кВт⋅ч энергии, а аккумулятор Tesla отдает всего 100 кВт/ч.
Как устроен аккумулятор
Литий-ионные батареи заряжаются и отдают энергию путем перемещения ионов лития. При зарядке положительно заряженные ионы двигаются от катода через раствор электролита между слоями графита анода, накапливаются там и присоединяют электроны тока зарядки. При разрядке они отдают электроны в контур тока, ионы лития перемещаются обратно к катоду, в котором они вновь связываются с находящимся в нем металлом (в большинстве случаев — кобальтом) и кислородом.
