Smartfon nega portlaydi?

So‘nggi paytlarda smartfon yoki planshetning o‘z-o‘zidan yonib ketgani, yoki hatto portlagani haqida ham xabarlar uchrab turibdi. Gugl qidiruv xizmati yordamida aniqlashimcha, o‘tgan yilning sentyabridan shu bugungacha, ya’ni, bir yil davomida, o‘znet internet-nashrlarda jami 8 marta smartfon portlagani haqida xabar e’lon qilingan ekan. Albatta, bu hech qanaqasiga obyektiv statistika bo‘la olmaydi. Lekin, haqiqat ham smartfonlarning egasining cho‘ntagida yonib, yoki portlab ketish holatlari rostdan ham uchrab turibdi. Bunday holatlarda eng achinarlisi, odamlarning ham tan jarohati olayotgani, smartfon egalarini turli darajadagi kuyish bilan shifoxonaga yotqizilgani haqidagi ma’lumotlardir.

Xo‘sh, nima sababdan smartfon yoki planshet o‘z-o‘zida yonib ketmoqda? Uning ichida qanday jarayonlar yuz beradi? Ushbu maqolamizda shu masalaga oydinlik kiritishga harakat qilamiz.

Hamma gap devaysning akkumulyatorida.

 

Zamonaviy ommaviy iste’moldagi mobil uskunalarning aksariyati litiy-ion (Li-ion) batareykalari asosida ishlangan akkumulyatorlardan quvvat oladi. Bunday batareykalarning asosiy afzalligi, tannarxining arzonligi va energetik zichligining yuqoriligi, ya’ni, o‘ziga ko‘p miqdorda energiya jamlay olishidadir.

Dastlabki litiy-ion akkmulyatorini 1991-yilda «Sony» korporatsiyasi ishlab chiqargan. Bunday akkumulyator, elektrolitga to‘yintirilgan g‘ovakli oddiy polimer separator bilan o‘zaro ajratilgan anod va katoddan iborat bo‘ladi. Katodning faol materiali odatda o‘zgaruvchan valentli metall oksidining alyuminiy folgaga o‘ralgan ko‘rinishidan iborat bo‘ladi. Anod esa, odatda mis folgaga o‘ralgan grafit bo‘ladi. Akkumulyatorning elektrokimyoviy katakchalari litiy elementi tuzlarining organik eritmasi bilan to‘ldirilgan bo‘ladi. Litiy-ionli batareykalarda zaryad tashuvchi sifatida, litiyning musbat zaryadlangan ionlari xizmat qiladi. Litiyning ionlari boshqa materiallarning, xususan, grafitning kristall panjarasiga o‘rnashib, kimyoviy bog‘ hosil qilish xossasiga ega bo‘lib, masalan, grafit bilan litiy LiC₆ birikmasi hosil qilishi mumkin.

Litiy-ion batareykasini ishlab chiqaruvchi tomonidan zavodda birinchi marta quvvatlantirilganida (zaryadlanganida), litiy ionlarining anodda to‘planishi sodir bo‘ladi. Natijada, anod atrofida cho‘kma elektrolitdan iborat ion-o‘tkazgich qatlam (SEI) yuzaga keladi. Ushbu qatlam batareykaning elektrodlarini elektrolitdagi parazit reaksiyalardan himoya qiladi.

Odatda, aksariyat hollarda, bunday akkumulyatorlar ichidagi elektrokimyoviy katakchalarda qisqa tutashuv sodir bo‘lishi sababidan yonib ketadi. Anod va katod o‘rtasida faol elektr kontakt yuzaga kelib qolishi yana boshqa sabablar tufayli ham sodir bo‘lishi mumkin. Masalan, elektrokimyoviy katakchalarning mexanik shikastlanishi tufayli ham yuz berishi mumkin. Ba’zan, ishlab chiqarish jarayonida texnologik xatolik tufayli, batareyka ichkarisida yot metallar bo‘laklari qolib ketishi, yoki, batareyka elektrodlarning notekis yasalganligi, yoxud, noto‘g‘ri o‘rnatilishi oqibatida ham, keyinchalik batareykada qisqa tutashuv yuzaga kelishi va u yonib ketishi mumkin. Bunday holatlarda, yong‘in chiqishi uchun nozik strukturali g‘ovakli separatorning arzimas shikastlanishi ham, anod va katod o‘rtasida elektr kontakt yuzaga kelishiga sabab bo‘ladi va muqarrar qisqa tutashuv yuzaga keladi.

Oxirgi tahlillarning ko‘rsatishicha, litiy-ion batareyka ichida qisqa tutashuv sodir bo‘lishining sabablaridan yana biri — litiy ionlarining (dendritlarning) zanjir hosil qilib bir-birga ulanib o‘sib, separator orqali o‘tib ketishi ham bo‘lishi mumkin ekan. Bu holatda, litiyning ionlari anod kristalllariga o‘rnashishga ulgurmasdan, aksincha o‘zaro kimyoviy bog‘lanib qoladi. Bunday hol, batareykani juda past haroratli sharoitda quvvatlaganda, yoki, birdaniga katta kuchlanishli tezkor quvvatlash sodir bo‘lganida yuzaga kelishi ehtimoli kuchli bo‘ladi. Shuningdek, katodning faol materialining sig‘imi anodning sig‘imidan katta bo‘lsa, unda anodning sirt yuzasida mikroskopik cho‘kindilar yuzaga kela boshlaydi. Elektr tokini o‘tkazish xususiyatiga ega bo‘lgan ushbu cho‘kindilar ham qalinlashib, oxiri anod va katod orasida qisqa tutashuvni yuzaga keltiradi va batareyka yonib ketadi.

 

 

Albatta, akkumulyatorning yonib ketishi uchun qisqa tutashuvning o‘zigina yetarli bo‘lmaydi. Lekin, yong‘in kelib chiqishida qisqa tutashuv eng ahamiyatli o‘rinni egallaydi. Qisqa tutashuv sodir bo‘lgach, akkumulyator qiziy boshlaydi. Akkumulyator qizib, uning harorati 70-90 °C ga yetganida, anoddagi himoya qatlami erib, parchalanishni boshlaydi. Keyin esa, anodga o‘rnatilgan litiy elektrolit modda (eritma) bilan o‘zaro reaksiyaga kirishib ketadi. Ushbu reaksiya natijasida akkumulyatordan uchuvchan uglevodorodlar — etan, metan, etilen va ho kazolar ajralib chiqa boshlaydi. Lekin, ushbu moddalarning ajralib chiqayotganligining o‘zi va haroratning yetarlicha baland ekanligi ham, hali yong‘in, yoki, portlash yuzaga kelishi uchun kifoya qilmaydi. Chunki, muhitda kislorod yo‘q.

Batareyka ichida elektrolit va ion ishtirokida borayotgan reaksiya — ekzotermik reaksiya bo‘ladi. Ya’ni, unda jarayon issiqlik ajralib chiqishi bilan kechadi. Bu degani, reaksiya borgani sari, akkumulyator ichida harorat va bosim yanada ortib boraveradi deganidir. Harorat o‘sib borib, 180-200 °C atrofiga yetganida, o‘zgaruvchan valentli metall oksididan tayyorlangan katod materiali disproporsional reaksiyaga kirishadi va o‘zida kislorod ajratib chiqarishga o‘tadi. Aynan shu paytda, batareykaning o‘z-o‘zidan alangalanishi va natijada haroratning yanada ortishi kuzatiladi. Bir vaqtning o‘zida, elektrolitning termik parchalanishi boshlanib ketadi. Bu jarayonda harorat 200-300 °C atrofida bo‘ladi va tabiiyki, issiqlik ajralib chiqadi. Harorat yana ortib borib, elektrolit qoldig‘i bilan endi batareyka ichidagi grafit reaksiyaga kirishib ketadi. Agar harorat 600 °C ga yetib borsa, akkumulyator ichidagi alyuminiy o‘tkazgichlari erishni boshlaydi. Odatda, akkumulyatorning yonishi shu haroratda yakunlanadi. Chunki, bungacha, uning ichidagi qismlari yoki, yonib, yoki erib bo‘ladi.

Qisqa tutashuvdan tashqari, akkumulyatorlarning yonib ketishiga sabab bo‘luvchi yana boshqa omillar ham mavjud. Xususan, akkumulyatorning haddan ziyod qizib ketishi, noto‘g‘ri quvvatlantirish, batareykaga berilishi mumkin bo‘lgan chegaraviy kuchlanishdan yuqori kuchlanish bilan zaryadlashga urinish, o‘ta beqaror kuchlanish ostida zaryadlash ham, uning o‘z-o‘zidan yonib ketishiga olib kelishi mumkin. Ushbu sanab o‘tilganlardan birortasi yuz bergan holatda, batareyka ichida elektrolitning termik parchalanishi va elektrodlar bilan reaksiyaga kirishib ketishi yuzaga keladi. Faqat, bu holatlarda, reaksiyaning borish tezligi va uning qay tartibda boshlanganligi, batareykaning sog‘ qolish-qolmasligini belgilab beradi.

Albatta, ishlab chiqaruvchilar akkumulyatorlarning o‘z-o‘zidan yonib ketishidan himoya qiluvchi maxsus tizimlarni ham o‘ylab topishgan va allaqachon amaliyotga tadbiq etishgan. Hozirda seriyali ishlab chiqarilayotgan litiy-ion batareykalarining hammasi shunday himoya elementlari bilan ta’minlanadi. Masalan, eng keng qo‘llanilayotgan himoya usullaridan biri — g‘ovakli separatorni maxsus, harorat o‘zgarishlari o‘ta sezgir moddadan tayyorlanishidir. Bunday o‘ta sezgir separatorning g‘ovaklari, haroratning arzimas o‘zgarishlariga ham juda ta’sirchan bo‘ladi. Harorat ortgani sari uning g‘ovaklari torayib, berkilib qolishgacha borishi mumkin va masalan, o‘sib borayotgan dendritlar zanjirining yo‘lini to‘sadi va qisqa tutashuv yuzaga kelishini oldini oladi. Lekin, ba’zan haroratning birdaniga, keskin ortishi kuzatilsa, separator g‘ovaklari torayishga ulgurmasdan, uning o‘zi erib ketishi ham mumkin. Bu esa, baribir qisqa tutashuvga olib keladi.

Ayrim ishlab chiqaruvchilar (asosan avtomobil akkumulyatorlari uchun) akkumulyator ichida maxsus saqlovchi klapanlar hamda saqlovchi elektr jihozlari (predoxranitellar) o‘rnatishadi. Bunda, akkumulyator ichida yonuvchi gazlar yuzaga kelib, bosim ortishni boshlasa, saqlovchi klapan ochilib ketadi va gazlar atmosferaga chiqib ketadi. Saqlovchi elektr jihozlari esa, harorat orta boshlaganda, shunchaki elektrodlardan birini elektr zanjiridan uzib qo‘yadi. Ya’ni, anod yoki katodni o‘chirib qo‘yadi. Lekin, bunday himoyalashda ham baribir yong‘in chiqish xavfi saqlanib qoladi. Chunonchi, oson alangalanuvchi gazlar ajralib chiqayotganda, saqlovchi klapan birdaniga ochilib ketsa, ichkaridagi gazlarning shiddat bilan atmosferaga chiqishi ro‘y beradi. Atmosferada esa olov hosil bo‘lishi uchun yetarlicha bo‘lgan kislorod har doim hoziru-nozir bo‘lgani uchun, arzimas uchqun ham akkumulyatorning tashqi alangalanishiga olib kelishi mumkin. Bu taxminlar ko‘proq katta zaryad sig‘imiga ega akkumulyatorlar, xususan, avtomobillarning va ayniqsa elektromobillarning akkumulatorlariga taaluqlidir. Bunday akkumulyatorlarda alohida ichki bloklarni maxsus termik izolyatsiyalanadi va bu ham akkumulyatorning xavfsizligini orttirishga xizmat qiladi.

Yuqori texnologik ishlab chiqaruvchilar tomonidan so‘nggi vaqtlarda litiy-ion batareykalarni ilg‘or texnologiyalar bilan ta’minlangan holda tayyorlash ham yo‘lga qo‘yilmoqda. Xususan, bunday akkumulyatorlarga maxsus zaryad kontrollerlari, sensorlar va mutanosiblovchi (balansni saqlab turuvchi) nanochiplar o‘rnatilishi bilan xavfsizlikni yanada orttirishga erishilmoqda.

Demak, akkumulyatorning yonib, yoki, portlab ketishiga sabab bo‘ladigan eng xavfli qismi — uning issiqlik ta’sirida oson parchalanuvchi va natijada, o‘zidan juda oson alangalanadigan elementlar hosil qiluvchi elektroliti ekan.

Hozirgi kunda, dunyoning yetakchi ilmiy dargohlarida, mutaxassislar ushbu muammolarni hal qilish yuzasidan ilmiy izlanishlarni davom ettirmoqdalar. Litiy-ion akkumulyatorlarining hozirgidek yuqori energetik samaradorligini saqlab qolgan holatda, uning xavfli qismlarini nisbatan barqaror, ishonchli muqobillariga almashtirish borasida turli variantlar sinab ko‘rilmoqda. Bu borada hali quvonishga biroz erta bo‘lsa-da, harholda boshlang‘ich ijobiy ko‘rsatkichlar mavjud. Xususan, ionlashgan suyuqliklar, polimer elektrolitlar, qattiq jinsli keramik elektrolitlar kabilarni qo‘llash orqali, akkumulyatorlarning o‘z-o‘zidan alangalanish xavfini bartaraf etish borasida ijobiy tajribalar qayd etilishi kutilmoqda. Bu ishlar albatta istiqbolda o‘zining kutilgan samarasini berishiga ishongan holda, siz aziz mutolaachiga, qo‘l telefoningiz akkumulyatorni zaryadlashda va undan kundalik foydalanishda, ushbu maqolada tilga olib o‘tilgan omillarni e’tiborga olishingizni tavsiya qilamiz. Akkumulyatoringiz quvvati doim soz va ishonchli bo‘lsin! (original tilak bo‘ldimi o‘ziyam)

Manbalar:

1) http://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2015/cp/c5cp02268a

2) Journal of The Electrochemical Society, 158 3 R1-R25 2011

3) http://www.powerinfo.ru/accumulator-liion.php

4) https://www.electrochem.org/dl/interface/sum/sum12/sum12_p037_044.pdf

---