Dlaczego baterie w telefonach wybuchają? Już wiadomo

Ten tekst jeszcze trzy dni temu zaczynał się od tego, co przeczytacie w trzecim akapicie. Był kolejnym artykułem pokazującym rozwój współczesnej techniki. Teraz jednak chcę, by był dla was również przestrogą.

To, co przydarzyło się w zeszłym tygodniu naszym znajomym pokazuje, że wybuchające baterie to nie tylko medialny temat, który właściwie nas nie dotyczy.
Wszystko wydarzyło się w środku nocy. Obudził ich huk, potem zobaczyli coś podskakującego i płonącego na podłodze. Niewiele się zastanawiając nasunęli to „coś” na plastikową szufelkę i wyrzucili za okno. Kiedy pierwszy szok minął okazało się, że to była bateria, która wyskoczyła ze starej Nokii E5 (telefon nie był podłączony do ładowarki). Siła, która spowodowała jej wyrzucenie z obudowy musiała być dość duża, bo otworzenie zatrzasków pokrywy baterii wcale nie jest takie trywialne.
Zobaczcie jak wygląda miejsca, gdzie lądował akumulator i pomyślcie gdzie trzymacie telefony, kiedy kładziecie się spać. Oby nie tuż za głową…

Wrzesień 2016 roku – Samsung wzywa użytkowników 2,5 mln telefonów Galaxy Note 7, by przestali ich używać. Powód – ryzyko wybuchu zainstalowanych w nich akumulatorów. Linie lotnicze zabraniają wnosić Note 7 na pokład, choć paradoksalnie zaledwie trzy lata wcześniej z tego samego powodu Boeing musiał uziemić Dreamlinery 787. To tylko dwa przykłady, ale o wybuchających bateriach w smartfonach, notebookach czy samochodach słyszymy raz po raz.

Miesiąc temu falę niepokoju wzbudziły zdjęcia iPhone’ów 8, które eksplodowały podczas ładowania. Problem, bez względu na skalę, jest bardzo poważny. Bez bezpiecznych akumulatorów na dłuższą metę nie da się produkować masowo aut elektrycznych czy budować instalacji ogniw fotowoltaicznych, które mają dostarczać zielonej energii.

Jednym z powodów uszkodzeń akumulatorów są rosnące w ogniwach dendryty. Wiadomo o nich już od dość dawna, ale dopiero pojawienie się nowej techniki, pozwalającej zobaczyć je na poziomie pojedynczych atomów, ma być pierwszym krokiem do dokładnego poznania mechanizmów powodujących eksplozję.

Wewnętrzne życie ogniwa

Naukowcom ze Stanford University i SLAC National Accelerator Laboratory udało się po raz pierwszy zrobić zdjęcia dendrytów, które tworzą się we wnętrzu ogniw litowo-jonowych. Są to krystaliczne struktury, które zaczynają powstawać kiedy ogniwo zostaje przeładowane. W takiej sytuacji jony litu zaczynają gromadzić się przy anodzie i tworzyć fraktalnie rozrastający się łańcuch metalicznego litu. Kiedy gałąź takiego „drzewka” przebije się przez porowaty separator, ma już później swobodną drogę do znajdującej się za nim katody. Kiedy się z nią zetknie dochodzi do zwarcia i w skrajnym wypadku, możemy mieć do czynienia z sytuacją taką jak na tym filmie:

Do tej pory dendryty obserwowano – jak w powyższym filmie – pod zwykłym mikroskopem albo sięgając po bardziej precyzyjne metody takie jak TEM, czyli transmisyjny mikroskop elektronowy. Ta ostania metoda, choć pozwalała uzyskać bardzo duże powiększenia, to wciąż nie oferowała wystarczającej dokładności. Dendryty oglądane pod mikroskopem TEM były nieregularne i podziurawione. Problemem było nie tylko mniej precyzyjne powiększenie, ale też niszczenie struktury dendrytów przez bombardujące je elektrony emitowane przez TEM. Badacze ten efekt przyrównywali do oglądania liścia przez lupę, która przy okazji skupia światło słoneczne i wypala w nim dziury.

Zupełnie inny obraz ukazał się naukowcom, kiedy do tego samego eksperymentu wykorzystali nagrodzoną w tym roku Noblem mikroskopię krioelektronową (cryo-EM). Tutaj możecie zobaczyć jak ona działa:

Nowa metoda w przeciwieństwie do takich technik jak rentgenografia strukturalna, pozwala zobaczyć materiał w jego naturalnym stanie i to nawet wtedy kiedy jest on chemicznie niestabilny czy bardzo delikatny. Jest to zasługą wykorzystania w cryo-EM błyskawicznego zamrażania badanych próbek w ciekłym azocie. Opisowo można powiedzieć, że jego działanie odpowiada naciśnięciu przycisku pauzy na pilocie odtwarzacza. „Życie” białek czy w opisywanym przypadku akumulatora zostaje zatrzymane i może zostać podejrzane. Zamrożenie eliminuje również problem degradacji badanego materiału przez sam mikroskop, jak to ma miejsce w przypadku TEM.

Po prawej dendryt widziany przez mikroskop TEM, po lewej skaning zrobiony przez cryo-EM. (Zdjęcie: Y. Li i in., Science).

Różnicę można zobaczyć na filmie nakręconym przez naukowców ze Stanford University. Pierwsza cześć filmu to obraz zarejestrowany przez TEM, na którym widać niszczenie dendrytu. Druga połowa filmu to obrazowanie za pomocą mikroskopu cryo-EM. Na powiększonym 400 000 razy obrazie widać nawet warstwę międzyfazową SEI .

Obrazy pokazywane przez mikroskop cryo-EM ma rozdzielczość pojedynczych atomów. W przypadku baterii ukazał dendryty w zupełnie nowej postaci. Okazało się, że mają one regularny, precyzyjnie uformowany sześcioboczny kształt, który zachowują nawet kiedy się rozgałęziają i zaginają.

Tak wysoki poziom szczegółowości pozwala też zobaczyć strukturę atomów, jaka powstaje na styku anody z elektrolitem. Jest to tzw. warstwa międzyfazowa (SEI, czyli solid electrolyte interphase), która powinna być jak najcieńsza by zagwarantować odpowiednie przewodnictwo. Równocześnie nie może też zwiększać swojej grubość w czasie długotrwałej eksploatacji baterii.
Naukowcy podczas skanowania akumulatora mikroskopem krioelektronowym zaobserwowali po raz pierwszy taką samą warstwę również na powierzchni styku dendrytu z elektrolitem.

Dzięki obrazowaniu cryo-EM naukowcy mogli zobaczyć, w jaki sposób rozmieszczone są atomy na powierzchni dendrytu. Po zmierzeniu ich rozstawu można oszacować, że to co widzimy to atomy litu. (Zdjęcie: Y. Li i in., Science).

To, że udało się wejrzeć we wnętrze ogniw daje naukowcom potężne narzędzie do zrozumienia, jak na poziomie atomowym wyglądają procesy zachodzące w bateriach. Od tej pory rezultaty dodawania domieszek do elektrolitu, które mają zapobiegać powstawaniu dendrytów, będzie można zobaczyć, a nie tylko przetestować. Pomoże to również zrozumieć, jak działają różne elektrolity i dlaczego niektóre z nich sprawdzają się lepiej niż inne.

Źródło; zdjęcie otwierające screenshot z filmu See Through Batteries opublikowanego na kanale Michigan Engineering.