Varför ett telefonbatteri kan explodera: En djupare titt

Nyligen rapporterades ett fall av 9to5Mac där en cyklist fick tredje gradens brännskador på benet på grund av att hans iPhone 6 fattade eld. De Nyheter av spontant eldsvårande telefonbatterier är inget nytt, det har täckts utförligt tidigare tillsammans med några fasansfulla bilder av brända offer. Ändå är luften inte klar och vi kommer att försöka förklara det faktiska vetenskapliga fenomenet som leder till explosionerna minus någon av de bilderna som kan göra dig illamående.

Kärnbatteritekniken i smartphones har inte sett några banbrytande framsteg under de senaste två decennierna, men allting runt den har gjort stora framsteg. Från batterihantering, laddningsmetoder till även kablarna med inbyggda IC: er, vi matar ström till våra batterier på det mest sofistikerade sättet idag.

Så det väcker frågan, varför kan vi inte hålla dessa jäkla batterier från att uppsluka sig själva och allt i närheten i rök och lågor? För att svara på den frågan måste vi dyka in i gymnasievetenskap, inte halsdjupt utan midja högt.

Litiumjonbatterier är "tighta"

Li-jonbatteriets struktur spelar en mycket viktig roll för att förstå varför litiumjonbatterier kommer med så många varningar. Som visas i bilden nedan, Anod & Katod, är de två grundläggande komponenterna i batteriet i form av ark. Ett poröst "Separator"-ark finns mellan de två för att förhindra kortslutning. Hela denna kombination av Anod-separator-katod staplas flera gånger i de få mm tjockleken på ditt genomsnittliga smartphonebatteri.

 En sådan tät packning tillåter flera tusen mAh kapacitet på bara några mm tjocklek, men är också ett oundvikligt recept på katastrof som vi snart kommer att se.

The Bane: Thermal Runaway

I alla batterier, om anod och katod kommer i direkt kontakt med varandra, uppstår en kortslutning. Detta är dåligt för batteriet eftersom det ökar batteriets inre temperatur. Och när det gäller Li-ion-batterier är det värre eftersom detta startar en cykel av självurladdning, vilket ytterligare ökar temperaturen. Detta kallas "Thermal Runaway". Och detta fungerar som en föregångare till explosioner.

Här är den tätt packade strukturen hos litiumjonbatterier sin egen fiende eftersom anod-katoden hålls isär bara av en mycket tunn separator. Den höga energitätheten hos Li-ion-batterier fungerar också som bränsle för elden när Thermal Runaway väl börjar.

De främsta orsakerna till att det kan explodera

Dessa gaser som genereras orsakar uppbyggnad av trycket inuti batteriet, vilket i slutändan leder till en explosion.

Kortslutning i ett batteri uppstår inte av sig själv. Ett antal faktorer som sträcker sig från tillverkningsprocessen till externa faktorer, såsom laddning & arbetsmiljö är ansvariga, vilka utvecklas nedan.

Tillverkningsfel

Först i listan över orsaker som får ditt batteri att gå högt är slack i tillverkningskvalitet och process. Detta är också den dominerande orsaken som återspeglar det faktum att billigare batterier och telefoner är mer mottagliga för det. Även om tillverkning av en Li-ion-cell inte är raketvetenskap, måste fortfarande en viss nivå av QC upprätthållas eftersom de inblandade materialen är farliga och instabila (litium).

Billigare batterier använder i allmänhet en separator av sämre kvalitet, som bryts ned snabbt och orsakar en kortslutning. Sådana batterier monteras inte heller i rena miljöer vilket orsakar avsättning av partiklar runt polerna igen vilket leder till kortslutning. Det yttre höljet är inte heller upp till märket och är otillräckligt för att tåla trubbiga krafter och stötar.

Laddningsmetoder

Behåller du din telefon för laddning över natten eller dränerar den till 1 %? Om du gör båda dessa saker, oroa dig inte, det kommer inte att rosta din telefon utan påverkar bara batteriets hälsa över tid. Li-ion-batterier är fredliga i intervallet 3,7 till 4,2 volt, men att ladda dem över 5 volt eller ladda ur dem under 3,2 volt kommer att provocera dem.

Alla smartphones idag har inbyggda kretsar för att undvika att spänningen går över gränserna, men återigen i billigare och icke-standardiserade versioner är dessa kretsar först med att gå kaput. Icke-standardladdare är också lika farliga, ännu mer eftersom det involverar elnätet, vilket kan vara livsfarligt för dig och ditt batteri.

iPhone-användare: Vi har en dedikerad guide till laddning av iPhones den rätta vägen.

Fysisk skada

Om vi ​​tittar på historien om stekta telefonfodral, anses grundorsaken generellt vara att telefonens batteri är icke-standardiserat eller falskt. Men eftersom en iPhone är boven i det aktuella fallet kan vi utesluta det. Det som ser ut som den troliga orsaken är den hårda påverkan från fallet, vilket leder till brott på separatorn och storskalig kortslutning. Det är därför du rekommenderas att inte hamra din telefon i raserianfall.

Batterikrossare

Slutligen bör lite också sägas om värme. Ett perfekt batteri av hög kvalitet kommer också att genomgå Thermal Runaway om den yttre temperaturen förblir över 60 grader Celsius under en längre tid. Så undvik att placera din telefon nära eldstäder, rumsvärmare eller i solen under en längre tid.

Följande tabell från BatteryUniversity vägleder dig angående de säkra temperaturerna.

Men varför explosionen?

Utan att gå mer in på tekniska saker, när, på grund av någon av ovanstående anledningar till att Thermal Runaway inträffar, ökar värmen inuti batteriet. Dessutom, på grund av det inneboende fenomenet Runaway, kan värmen inuti nå upp till 150 grader Celsius (302 F).

Vid denna temperatur smälter separatorn mellan arken, vilket orsakar kortslutning i större skala.

Smältseparatorn och den överhettade elektrolyten genomgår några superkomplexa kemiska reaktioner som producerar vissa gaser. Dessa gaser som genereras orsakar uppbyggnad av trycket inuti batteriet, vilket i slutändan leder till en explosion. Men det är inte alltid resultatet, ibland kan batteriet bara bukta och misslyckas.

1. Använd en Halon-, Halon-ersättnings- eller vattensläckare för att släcka branden och förhindra att den sprids till ytterligare brandfarliga material.

2. Efter att ha släckt branden, släck enheten med vatten eller andra alkoholfria vätskor för att kyla enheten och förhindra att ytterligare battericeller når termisk flykt.

Och i alla olyckliga händelser bestämmer sig något batteri i din närhet för att starta självförbränning, ovanstående råd från FAA (PDF-fil) bör följas för att släcka elden.

Så vad har vi lärt oss?

En sak vi kan dra slutsatsen är att undermåliga batterier och komponenter spelar en stor roll i felen. Billiga laddare och kablar är också lika ansvariga. Men att hålla telefonen ansluten under längre tid kommer inte att orsaka detta. Och avsiktligt skadade batterier, ja de kommer under Idioter på jobbet kategori som ingenting kan göras åt. Varje batterifel blir inte heller till TNT, vissa buktar bara ut, läcker eller slutar fungera.

Jag hoppas att den här förklararen har besvarat frågan i rubriken, vetenskapligt. Om du har ännu fler brännande frågor, pinga oss gärna genom kommentarer. Glad och säker laddning.

LÄS ÄVEN:Kan en bärbar powerbank rädda din semester som den räddade min?