Které baterie neexplodují?

Trochu historie. Lithium-iontové baterie byly vynalezeny již v minulém století: výzkum probíhal od roku 1970 a moderní verzi tohoto typu baterií představila v roce 1991 společnost Sony. Vynález byl skutečně revoluční a od té doby je většina zařízení a zařízení, která používáme každý den, vybavena právě bateriemi tohoto typu.

Lithium-iontové baterie prošly několika fázemi zdokonalování a vylepšování a dnes jsou jednou z nejspolehlivějších, nejbezpečnějších a nejobjemnějších baterií. Samozřejmě, jako u všech zařízení, mají určitá provozní pravidla, která pomáhají zachovat a prodloužit životnost baterie. Při dodržení těchto pravidel baterie vydrží velmi dlouho, ale stále existují mýty a mylné představy týkající se výkonu a bezpečnosti lithium-iontových baterií.

Mýtus 1: o úplném vybití a XNUMX% nabití

Každý si pamatuje historku, že baterii nového mobilního telefonu je nutné nejprve zcela vybít a teprve poté nabít, jinak zůstane baterie navždy nízkokapacitní? Pojďme zjistit, jak tyto fámy vznikly.

Nejoblíbenější legenda je spojena se dvěma faktory: za prvé s dobou, kdy zařízení používaly niklové baterie, které se vyznačovaly takzvaným „paměťovým efektem“. Pokud budete takovou baterii neustále nabíjet o 30 %, její kapacita se bude postupně snižovat a nakonec se rovná 30 % původní. Dnes gadgety i elektrická vozidla používají výhradně lithium-iontové baterie (pokřik pro vítěze Nobelovy ceny za chemii (2019), udělené třem vědcům Whittinghamovi, Goodenoughovi a Yoshinovi za vynález a vylepšení lithium-iontových baterií). „Paměťový efekt“ není lithium-iontovým bateriím cizí, ale je tak bezvýznamný, že nijak neovlivňuje jejich provoz a existuje jako formální vědecký fakt.

Za druhé, výhoda úplného cyklu vybití a nabití (od 0 do 100 %) spočívá v kalibraci regulátoru nabíjení – zařízení odpovědného za informace pro uživatele (stejná baterie na obrazovce smartphonu, která ukazuje, jak dlouho zařízení bude fungovat po nabití). Kalibrační deska čte informace o kapacitě baterie (koneckonců kapacita časem klesá) a může tato data nesprávně analyzovat, což poskytuje nepřesnou předpověď, pokud neustále nabíjíte gadget pouze na polovinu.

Všimli jste si, že často poslední procento nabití smartphonu vydrží mnohem déle než ty předchozí, jako by se v něm ve skutečnosti skrývalo dalších 10-20 %? To je přesně ten případ, kdy nás řídící deska klame, protože telefony před vypnutím vybíjíme jen zřídka.

U mnoha elektromobilů je však baterie standardně nastavena na 90% nabití, přičemž řidiči se doporučuje, aby tuto hranici posunul pouze v případě, že ho čeká dlouhá cesta. S čím to souvisí?

Faktem je, že počet nabíjecích cyklů u každé baterie závisí na mnoha faktorech a jedním z rozhodujících je hloubka vybití neboli DoD (Depth Of Discharge). Tento parametr ukazuje, o kolik procent je baterie vybitá během cyklu. Pokud telefon vybijete na 30 % a nabijete na 100 %, hloubka vybití bude 70 %. Čím nižší je hloubka vybití, tím větší počet cyklů baterie vydrží a baterie jsou citlivější na extrémní podmínky blízké 100 %. U většiny moderních baterií, pokud je nabijete na ne více než 90 %, se počet nabíjecích cyklů zvýší minimálně dvakrát.

Řekněme, že počet cyklů úplného nabití a vybití (DoD 100 %) vaší baterie elektromobilu je 1000 90. Pokud pokaždé nabijete pouze na 2000 %, počet cyklů se zvýší na přibližně 30 60, a pokud použijete 90 % kapacita v rozmezí XNUMX-XNUMX%, pak se počet nabití stane téměř nekonečným: přinejmenším stejně, jako kdyby baterie jen ležela na poličce a časem ztrácela své chemické vlastnosti.

Právě za účelem prodloužení životnosti baterií a zvýšení počtu nabíjecích cyklů nabízejí výrobci elektromobilů řidičům nabití až na 90 %. Baterie tedy není potřeba nabíjet na 100 %, naopak částečné nabití zajistí delší životnost baterie.

Mýtus 2: Li-ion baterie hoří a explodují

Lithium-iontové baterie obsahují složité chemické sloučeniny a mohou se skutečně vznítit. Faktorů požáru však není mnoho a všechny jsou zcela specifické. Pojďme prozkoumat důvody, proč se to může stát, a uvidíme, jak reálná je možnost požáru při používání lithium-iontových baterií v každodenním životě.

Mechanické poškození

Mechanické poškození, které může způsobit požár baterie, musí být značné a musí vést minimálně k odtlakování pouzdra baterie a poškození baterií. Silný náraz způsobí uzavření kontaktů a v důsledku toho se elektrolyt velmi zahřeje: v důsledku toho baterie exploduje.

Například u elektromobilů by tuto situaci mohla vyvolat vážná nehoda. Aby baterie zůstaly nepoškozené i v případě nehody, výrobci je umisťují do speciálních odolných pouzder a obklopují je různými ochrannými prostředky, takže pravděpodobnost výbuchu a požáru zůstává poměrně nízká. Pokud jde o telefony, notebooky a další gadgety, nejčastěji v důsledku mechanického poškození jednoduše nabobtnají a může také unikat elektrolyt.

Abyste předešli nepříjemným situacím, provozujte zařízení s lithium-iontovými bateriemi opatrně, snažte se vyhnout otřesům, pádům a jiným mechanickým nárazům. A nenechávejte si chytré telefony v zadní kapse!

Předražení

Každá baterie je dimenzována na určité napětí (obvykle 4,2 voltu), ale pokud ji necháte dále nabíjet, tlak začne stoupat. V důsledku toho s největší pravděpodobností dojde k výbuchu. Teoreticky je to možné, ale v praxi se to pravděpodobně nestane, protože všechny baterie jsou dnes vybaveny deskou BMS (battery management system), která znemožňuje dobíjení. Deska monitoruje napětí na každém jednotlivém článku baterie a násilně vypne nabíjení, když je baterie plná.

BMS deska a ochrana proti přebití jsou dnes k dispozici na jakémkoli zařízení. Když váš smartphone sedí na nabití dva dny po sobě, ve skutečnosti se dlouho nenabíjel, protože deska odvedla svou práci.

Pokud jde o nabíjecí miniaplikace, musíte ještě učinit několik poznámek. Za prvé, neměli byste používat nabíječky neznámého původu: v ideálním případě je lepší nabíjet „originálními“. Za druhé, během nabíjení se nedoporučuje, pokud mluvíme o smartphonech, spouštět na nich aplikace a hry, které výrazně zatěžují baterii.

Vnitřní zkrat

Toto riziko je spojeno s technologií výroby baterie a je založeno na teoretické možnosti zkratu mezi anodou a katodou uvnitř baterie. Obvyklá konstrukce zahrnuje speciální separátor, který odděluje anodu a katodu. Spolu s celou strukturou baterie jsou naplněny elektrolytem.

Pokud se separátoru něco pokazí, například ztenčí nebo praskne, může dojít ke zkratu, zahřátí elektrolytu a následnému požáru.

Elektromobily využívají mimořádně kvalitní baterie z produkce firem jako LG, Samsung a dalších (určitě si při koupi elektromobilu dejte pozor na výrobce baterií), jejichž výrobní proces je na vysoké úrovni, což potvrzuje např. přítomnost certifikátů a zpráv o bezpečnostních testech a udává tón v globálním průmyslu baterií. Závady a nekvalitní baterie jsou prakticky vyloučeny. Za druhé, konfigurace moderních baterií je uspořádána zvláštním způsobem: kromě samostatných sekcí je pod každou baterií speciální ventil, který chrání článek a přerušuje elektrický obvod, pokud je překročen tlak.

Existují baterie, které obsahují speciální ochranné desky, které kontrolují úroveň napětí. Tyto prvky jsou zodpovědné za to, že napětí nepřekročí minimální nebo maximální provozní limit a v případě potřeby také omezí příchozí proud. Takové baterie se liší od standardních ve vzhledu a jsou dražší, ale cena je v tomto případě zcela v souladu s úrovní bezpečnosti.

Zajímavostí spalování lithium-iontových baterií je, že kvůli přítomnosti kyslíku v chemickém složení je téměř nemožné je uhasit vodou. Pokud baterie hoří, výrobci doporučují ustoupit a počkat, až vyhoří, než se ji snažit uhasit hasicím přístrojem nebo kbelíkem s vodou. Kromě toho je vhodné zakrýt zařízení ohnivzdorným materiálem, který pomůže zachytit létající úlomky.

Mýtus 3: Když jsou srážky, je nebezpečné používat nabíječky pro elektromobily.

Všichni z dětství víme, že bychom se elektrických spotřebičů, zásuvek a zástrček neměli dotýkat mokrýma rukama. Jak je to ale s nabíjecími stanicemi, vždyť jde o vysokonapěťová, a tedy pro lidi zvlášť nebezpečná elektrická zařízení? Pokud můžete nabíjet jen za příznivého počasí, tak v jiných městech Ruska, například v Petrohradu, kde prší 365 dní v roce, není možné používat elektromobil.

Elektromobil totiž můžete nabíjet za každého počasí, dokonce i za deště. Jak samotný elektromobil, tak nabíjecí stanice mají četná ochranná opatření a úrovně „bezpečnosti vody“. Nabíjecí stanice se připojí k elektrickému vozidlu a počítače na obou zařízeních zkontrolují, zda je připojení bezpečné. Teprve poté začne nabíjení. Nezačne okamžitě, když se konektor dotkne nabíjecího portu, a nekončí, když jej vytáhnete: předtím je provedena dodatečná kontrola řádně izolovaného zařízení.

V sérii materiálů „Technotrends 2024“ redaktoři Hi-Tech Mail.ru shrnují výsledky roku 2023 a hledí do budoucnosti. V tomto článku vám prozradíme, co nahradí klasické baterie. Spoiler: elektrická Toyota se plně nabije za 10 minut.

Lithium-iontové baterie jsou všude: v chytrých telefonech, bezdrátových sluchátkách, elektromobilech. Dlouho představovaly úzké hrdlo technologie: i headsetu Vision Pro od Applu se novináři vysmívají kvůli kabelu a powerbance, bez kterých helma funguje jen dvě hodiny. Výroba moderních baterií je stále dražší, rychle se vybíjejí a někdy explodují a hoří.

Jaký je problém s lithium-iontovými bateriemi:

• omezení cyklů nabíjení/vybíjení;
• ztráta kapacity v průběhu času;
• potřeba ochrany proti přehřátí a přebíjení;
• možnost zapálení;
• snížení světových zásob lithia.

Největší automobilky – Toyota, Nissan, Mercedes a BMW – už začaly hledat řešení problému. Firmy investují do vývoje nových typů baterií pro elektromobily. To je částečně způsobeno klesající poptávkou po tradičních vozech se spalovacím motorem v Číně a Evropě. Na druhou stranu jde o omezení lithium-iontových baterií.

Vědci vyvíjejí několik slibných typů baterií, které nahradí ty lithium-iontové

Hlavním uchazečem je polovodičové baterie. Obsahují pevné elektrolyty (látky, které vedou elektrický proud), na rozdíl od tekutých v lithium-iontových. Díky tomu první jmenované snesou vyšší teploty a jsou tak bezpečnou alternativou. Tyto baterie mají také delší dojezd a rychlejší nabíjení. V říjnu 2023 Toyota uzavřela dohodu se společností Idemitsu Kosan, která vyvíjí pevné elektrolyty pro baterie a začne společný vývoj polovodičových baterií v letech 2027–2028.

Dojezd elektromobilů Toyota s polovodičovou baterií se může zvýšit až na 1 km. Auto se nabije za pouhých 200 minut.

Dalším typem baterie, kterou vědci vyvíjejí, je kyslík-iontový. Má výrazně delší životnost, výroba nevyžaduje vzácné materiály. V březnu 2023 se vědcům z Vídeňské technologické univerzity podařilo vyvinout kyslíko-iontovou baterii s velkou výhodou oproti lithium-iontové: dokáže se regenerovat. Jeho kapacita v podstatě trvale neklesá, což z něj činí jednu z nejdéle trvajících baterií vytvořených člověkem. Kyslíkovo-iontové baterie bohužel nejsou určeny pro chytré telefony nebo elektrická vozidla: hustota energie je o ⅔ nižší než u lithiových baterií a fungují při teplotách 200-400 °C.

Mohou také zahrnovat potenciální náhrady za lithium-iontové baterie hořčíku baterie. Vyžadují poloviční objem při stejné hustotě náboje než lithium a jsou také méně nebezpečné, když jsou degradovány. Další možnou možností je sodíkové iontové baterie. Jsou považovány za levnější a bezpečnější alternativu lithia a jsou vhodné pro skladování energie, protože fungují lépe při velmi vysokých a nízkých teplotách.

O vývoji hovořila například švédská společnost Northvolt v listopadu 2023 sodík-iontová baterie s vysokou hustotou energie – přes 160 W*h/kg. Nyní mají nejlepší lithiové baterie hustotu 220-250 Wh/kg, ale vývoj společnosti Northvolt se vyznačuje absencí vzácných kovů, nízkými výrobními náklady a bezpečností při vysokých teplotách. Společnost doufá, že v příštím roce poskytne zákazníkům první vzorky a do konce desetiletí spustí plnohodnotnou výrobu.

Nové technologie baterií se dostanou do mobilních zařízení, jakmile budou „otestovány“ v elektromobilech – pak nebudeme muset číst návod, jak bezpečně nabíjet smartphony. Ale zatímco čekáme na tuto budoucnost, bylo by dobré oprášit naše znalosti.