De ce bateriile iau foc atât de des?

Deşi ne bazăm în permanenţă pe buna funcţionare a bateriilor din telefoanele mobile, lanterne sau automobilele electrice, în prezent încrederea pe care o avem în tehnologia de fabricație a acestor componente de bază a scăzut.

Sunt binecunoscute problemele provocate de bateriile din telefoanele Samsung Galaxy Note 7 care s-au dovedit a reprezenta un risc de incendiu. Din acest motiv, într-un final, telefoanele Galaxy Note 7 au fost retrase de pe piaţă.

Cu toate acestea, problema a rămas, deoarece nu doar bateriile din telefoanele inteligente sunt predispuse la aprindere.

Între timp companiile aeriene au interzis hoverboard-urile la bordul avioanelor tocmai pentru că bateriile acestora sunt considerate un pericol de incendiu. Mai mult, s-au semnalat sute de incidente, mai ales în China, în care bateriile unor automobile electrice au luat foc.

Hoverboard. Credit: Derin Khsro, CC BY-SA

Care este cauza tuturor acestor probleme?

Povestea începe la începutul anilor 1990 atunci când bateriile Li-ion au devenit o componentă de bază în telefoane și alte dispozitive electronice. Litiul este un metal foarte ușor care este mai puțin toxic decât alte metale utilizate anterior în construcţia bateriilor, cum ar fi cadmiu sau plumb. Spre deosebire de bateriile anterioare, care erau de unică folosință, bateriile Li-ion pot fi, în mod normal, reîncărcate de mii de ori.

Mai mult, o caracteristică inovatoare a bateriilor Li-ion constă în dimensiunea redusă a acestora datorită unei structuri compacte pe bază de straturi. În acest fel se poate optimiza temperatura bateriei cu ajutorul circuitului electronic încapsulat care controlează procesul de încărcare/descărcare al celulelor bateriei. În acest fel se evită supraîncărcarea şi descărcarea completă a celulelor, care pot provoca apariţia unor evenimente nedorite, precum explozia bateriilor.

Consecinţa exploziei unei baterii. Credit: Derin Khsro, CC BY-SA

Din anii 1990 şi până în prezent, soluţia constructivă a bateriilor Li-ion s-a îmbunătăţit ca urmare a investiţiilor în dezvoltarea acestei tehnologii. Densitatea de energie pe care celulele o pot realiza a crescut de la 100 wattoră/kg până la 270 wattoră/kg, ceea ce înseamnă că în prezent acestea furnizează mai multă putere într-un volum mai mic. Acest lucru a fost, desigur, crucial pentru dezvoltarea electronicii moderne de consum, în care dimensiunile și greutatea dispozitivelor electronice reprezintă cerinţe critice pentru promovarea acestora pe piaţă.

Mai multă energie înseamnă mai multă căldură, iar atunci când componentele din interiorul unei baterii se încing înseamnă că și spațiul fizic necesar dilatării bateriei devine critic.

Din dorinţa de a produce dispozitive electronice tot mai performante și de a ocupa piaţa de desfacere de la alţi producători rivali, companiile lansează pe piaţă un număr mare de dispozitive care se pare că sunt insuficient testate în privinţa încălzirii lor, în timp ce alte produse noi se află deja în faza de dezvoltare.

Fără a fi verificate cum se comportă în timp aceste dispozitive electronice, s-a ajuns la situaţia în care bateriile din interiorul acestora iau foc instantaneu, iar consecinţele ar putea fi dezastruoase pentru companiile producătoare. Aceste probleme nu sunt o noutate, deoarece ele au apărut în urmă cu un deceniu, dar în prezent ele au devenit tot mai frecvente.

Din punctul de vedere al consumatorului, se pot desprinde câteva recomandări: putem accepta o autonomie mai mică a bateriei și să încărcăm bateria mai des şi nu complet sau, în cazul apariţiei unei tehnologii noi de fabricație a bateriilor, să aşteptăm cel puţin şase luni până ce aceasta se dovedeşte sigură în utilizare.

Din păcate, nu doar bateriile din dispozitivele mobile reprezintă un adevărat pericol. Se pot aminti aici instalațiile de stocare a energiei pe bază de baterii, care sunt destinate viitoarelor zone rezidențiale denumite uneori și orașele inteligente ale viitorului. Aceste instalații vor stoca energia electrică, pentru situaţii de urgenţă, produsă de generatoarele eoliene care nu pot funcţiona în permanenţă.

Conceptul este excelent. Diferite sisteme care utilizează baterii cu flux de electrolit (redox), care conțin litiu sau vanadiu, sunt deja folosite pentru unele zone rezidențiale din SUA și Europa. De exemplu, micul oraș Braderup din nordul Germaniei are un astfel de sistem care produce o putere de 2 MW şi stochează o energie de 2 MWh, care este produsă de o turbină eoliană după aproximativ trei ore de funcţionare.

China este lider în acest domeniu. Se estimează că în instalaţiile experimentale din Zhangbei, un oraș din apropiere de Beijing, se testează sisteme de 14 MW şi recent China a anunțat că intenţionează să creeze o singură instalație de stocare a 500 MWh, cu intenția de a livra o putere de 64 GW până în 2020, suficient pentru, probabil, 50 de milioane de locuinţe.

Problema este că aceste instalaţii de stocare a energiei prezintă un risc mare de explozie și de incendiu. Pentru a evita astfel de consecințe grave, proiectanții trebuie să învețe de pe urma evenimentelor nedorite în care au fost implicate baterii mai mici. O atenție sporită la siguranța în exploatare a acestor baterii și testarea corespunzătoare a acestora este esențială.

În afară de aceste riscuri, trebuie să se ţină cont și de faptul că bateriile sunt mari consumatoare de resurse. Rareori se vorbeşte despre costul ridicat al refolosirii și reciclării bateriilor. Pe scurt, adevărata provocare este să încercăm să găsim modalităţi de stocare a energiei fără a utiliza baterii. Aceasta este însă o cu totul altă poveste.

Traducere şi adaptare după Why batteries have started catching fire so often