چرا باتری گوشی ها منفجر می شود؛ نگاهی به ساختار باتری لیتیوم یون

باتری های لیتیومی نقشی اساسی در انقلاب دیجیتالی ایفا کرده اند اما یک مشکل اساسی دارند، احتمال آتش گرفتن یا حتی انفجار خود به خود. اما چرا این باتری ها آتش می گیرند و محققان برای رفع آن چه کرده اند؟

ابتدا بیایید نحوه کارکرد این باتری ها را بررسی کنیم. الکتریسیته را می توان این گونه تعریف کرد: انتقال الکترون ها از طریق یک ماده رسانا. باتری روشی برای ذخیره و کنترل جریان الکتریسیته است. باتری چهار بخش اصلی دارد:

• آنود
• کاتُد
• الکترولیت
• مدار

الکترون ها از آنود با شارژ منفی به کاتُد با شارژ مثبت منتقل می شوند و در این بین الکترولیت نقش یک مایع بین آنها را ایفا می کند. لیتیوم به عنوان استاندارد کنونی برای کاتد به کار می رود و امکان انتقال آسان الکترون ها را فراهم می کند در حالی که وزن کمی هم دارد.

باتری های لیتیوم یون معمولاً از لیتیوم کبالت اکسید به عنوان کاتد، گرافیت به عنوان آنود و نمک لیتیوم در ترکیبی از یک یا بیشتر کربنات آلکیل تشکیل شده اند. ولی این باتری ها مشکلاتی دارند. لیتیوم یک فلز قلیایی و بسیار واکنش پذیر است.

الکترولیت های اورگانیک یا دی متیل کربنات، بسیار قابل احتراق هستند. به این ترتیب لیتیوم و الکترولیت دو بخش اصلی این پازل هستند که موجب «فرار حرارتی» می شوند. «فرار حرارتی» در سلول های باتری هایی رخ می دهد که به طور خود به خود منفجر می شوند. دلایلی برای این اتفاق وجود دارد:

• شارژ بیش از حد باتری
• افزایش بیش از حد دما
• آسیب های فیزیکی
• اشکالات تولید که منجر به اتصال کوتاه می شود

مورد آخر همان مشکلی است که برای گلکسی نوت 7 سامسونگ پیش آمد و البته بعدها این کمپانی کره ای با راه اندازی فرایند آزمایش 8 مرحله ای اطمینان داد که دیگر مشکل مشابهی برای باتری های گوشی هایش پیش نخواهد آمد.

به طور خلاصه می توان گفت هر آنچه که موجب افزایش سریع دما شود، می تواند در باتری ایجاد مشکل کند. هنگامی که فرایندهای شیمیایی متنوع موجب افزایش فوق العاده دما می شوند، لیتیوم کبالت اکسید شروع به آزاد کردن اکسیژن می کند. این اکسیژن می تواند با الکترولیت کربنات آلکیل یا اکسید کبالت باقی مانده واکنش دهد.

همچنین در حین عمل شارژ شدن بیش از حد، الکترولیت کربنات آلکیل می تواند به گاز دی اکسید کربن شکسته شود که می تواند به بیرون گسترش پیدا کرده و موجب انفجار الکترولیت و در نهایت منفجر شدن محتویات قابل انفجار باتری شود.

مطالعات آزمایشگاهی در مورد «فرار حرارتی» نشان داده که دو گاز قابل اشتعال هیدروژن و متان نیز در انفجارها یافت شدند که موجب افزایش دما به بیش 850 درجه سانتی گراد می شوند.

قطعاً دوست ندارید این میزان دما را با صورتتان حس کنید. در سال 2013 یک نوجوان به دلیل فرار حرارتی باتری گوشی هوشمند دچار سوختگی درجه 3 شد. این موضوع به قدری شایع شده که اداره هوانوردی فدرال آمریکا ورود برخی از گوشی های هوشمند را به هواپیما ممنوع کرده است.

همچنین «ستاد ملی ایمنی حمل و نقل ایالات متحده» پس از حادثه ای که در سال 2011 برای یک هواپیمای باری افتاد، در مورد حمل باتری های لیتیومی به عنوان محموله های باری اخطار داده بود. در سال 2017 نیز یک کارخانه باتری سازی دچار آتش سوزی گسترده شد.

اما چرا محققان هنوز این مشکل را حل نکرده اند؟ شاید آینده باتری های لیتیوم یونی در دستان یکی از مخترعان آن، «جان گودیناف» باشد. او اکنون تیمی از محققان را مدیریت می کند که به تحقیق در مورد باتری های بهتری مشغول هستند؛ باتری هایی که اشتعال پذیر نباشند، دوام بیشتری داشته باشند و حداقل 3 برابر انرژی بیشتری نسبت به باتری های فعلی فراهم کنند.

تیم محققان گودیناف معتقدند که اختراع جدید آنها که بر اساس یک باتری با الکترولیتی از جنس شیشه است، می تواند به شیوه بهتری انرژی را ذخیره کند، سریعتر شارژ شود یا شارژ آن خالی شود و در عین حال بتوان آن را به اشکال فیزیکی متنوعی طراحی کرد؛ و این تنها یکی از باتری هایی است که در حال آزمایش هستند.

تماشا کنید: نگاهی به مرکز تست پیشرفته سامسونگ برای گلکسی اس 8