Nafúknuté batérie, občas nejaké to syčanie s kúdolom dymu, či rovno šľahanie plameňov. Poruchy tohto druhu veru nie sú žiadna zábava a občas si vyžiadajú aj obete na životoch. Prečo k nim ale vôbec dochádza?

Možno sa teraz smejete, že prečo sa pýtame takú hlúpu otázku. Veď je to predsa jasné, nie? No predsa kvôli batérii. Nafúkne sa, alebo niečo také a hotovo. No dobre, ale prečo je to tak? Prečo tisíce či milióny smartfónov fungujú bez zakopnutia celé roky a práve ten váš, čo máte práve v ruke či vo vrecku, zrazu zasyčí a vyšľahne z neho plameň?

Je to náhoda, alebo to má nejakú konkrétnu príčinu, ktorej sa dá zabrániť? A ako to, že niektorá batéria sa len nafúkne, zatiaľ čo iná horí a exploduje? A čo sa vlastne pri takomto výbuchu naozaj v batérii stane? Čo sa vo vnútri hrá nejaký trpaslík so zápalkami alebo čo?

Ako to, že počujem vždy o vybuchujúcich smartfónoch, ale skoro nikdy o notebookoch a iných zariadeniach s batériou?

Rýchla odpoveď: Smartfóny potrebujú vzhľadom na svoju veľkosť a výkon batériu s veľkou energetickou hustotou, pričom ju tvorí len jediný článok. Čím viac energie sa do malého priestoru vtesná, tým narastá aj množstvo potenciálnych problémov. Tento fakt je kombinovaný s tým, že smartfóny používajú miliardy ľudí prakticky neprestajne a každý deň ich nabíjajú, takže zákonite bude u nich výskyt problémov častejší.

Presnejšia odpoveď: Problémy tohto typu sa týkajú všetkých zariadení s výkonnou Li-ion batériou a žiadne nie je výnimkou. Či už ide o smartfóny, tablety, notebooky, smarthodinky, holiace strojčeky, elektrické vŕtačky či elektronické cigarety, začať horieť môže úplne každá Li-ion batéria v ich útrobách.

To, že sú smartfóny bezkonkurenčne najrozšírenejším zariadením s batériou v našich rukách je zrejmý fakt a je jasné, že sa teda budú v správach tohto typu vyskytovať najčastejšie. Ak „vybuchne“ elektrický skrutkovač v ruke nejakého robotníka pri montovaní žalúzii, stane sa z toho tak akurát historka do krčmy. Ak to isté urobí iPhone v kabelke dámy na opätkoch na letisku v New Yorku, za pár hodín to už vie skoro každý čitateľ on-line správ od Londýna až po Hongkong.

Toto však nie je celý príbeh. Nesporný vplyv na frekventovanosť týchto javov má aj samotná konštrukcia článkov a ich kapacita a energetická hustota.

Aj keď napríklad kompletná batéria notebooku nesie obvykle viac energie, ako batéria smartfónu (je podstatne väčšia a napája aj podstatne väčšie zariadenie s väčšou spotrebou), v skutočnosti je tvorená z niekoľkých samostatných celkov – článkov, obvykle v tvare valca. Ide prakticky o totožný výrobný formát, ako má bežná „tužková“ batéria typu AA.

Bežný používateľ si toho nie je obvykle vedomý, pretože batéria notebooku má napríklad tvar kvádru a  akumulátor vŕtačky je napríklad kocka. Po násilnom otvorení sa však pravda rýchlo ukáže.

Valcový článok je výhodný a osvedčený druh konštrukcie Li-ion, známy aj z bežných zinkových a alkalických nenabíjateľných článkov. Výhoda je ľahká sériová výroba a veľmi dobrá mechanická stabilita.

V jeho útrobách nájdeme tenučký plát v podobe zápornej elektródy a tenký plát kladnej elektródy, ktoré sú umiestnené v elektrolyte a oddelené separátorom. Ak nám batéria napája nejaké zariadenie, v jej vnútri sa deje to, že záporná elektróda sa vzdáva elektrónov, ktoré putujú vodičom do kladnej elektródy, uzatvárajúc tak elektrický obvod.

Tento tok elektrónov je využívaný na napájanie zariadenia, čo sa obrazne dá prirovnať k tomu, ako keď rýchly tok rieky roztáča mlynské koleso. Tok elektrónov zo zápornej anódy na kladnú katódu je prirodzený, podobne ako to, že rieka tečie vždy dolu kopcom. Pre otočenie tohto procesu je treba už vyvinúť energiu (ako napríklad keď vodu čerpáte do kopca čerpadlom), k čomu sa používa energia z elektrickej siete. Batéria sa teda nenabíja štýlom naberania elektrónov zo zásuvky, ale skôr presunutím svojich vlastných elektrónov z údolia (katódy) späť na kopec (anódu).

Ako môžete vidieť, vo valcovitom článku sú pláty kladnej a zápornej elektródy zatočené koldokola. Konštrukcia tohto typu vydrží značný tlak z vnútra a vzhľadom na silný kovový plášť sa len tak ľahko neprerazí.

Nevýhodou je veľká váha a hlavne rozmer celého článku. Do cca 7 mm hrubého smartfónu sa skrátka  „AA tužkovka“ nezmestí. V minulosti sa na mobilných telefónoch, ale aj v iných zaradeniach, začali používať tabuľkové články (prismatic cells), pri ktorých sa jednotlivé pláty dvoch elektród zatáčajú do malej tehličky.

Batéria tohto typu je tvorená už len jediným článkom, čo je rozmerovo značne efektívnejšie. Tieto formáty sa používajú hlavne u batérií, ktoré sú používateľsky vymeniteľné, pretože stále obsahujú pevný kovový a plastový plášť a sú pomerne štrukturálne pevné (i keď už nie tak, ako valcové typy).

Hon za tenšími zariadeniami nás však posunul ešte ďalej, pričom ultimátnym riešením sa stalo zbavenie sa ochranného plášťa nadobro. Znížila sa teda váha a zmenšil rozmer, avšak článok je už značne mäkký, ohybný a často krát musí byť pre zvýšenie pevnosti aj prilepený k obvodovej konštrukcii samotného zariadenia.

Tieto riešenia článkov sa označujú ako pouch cells, teda niečo ako vakové články, pričom ich nájdeme vo väčšine súčasných smartfónov a tabletov. Ich rozmerová efektivita je mimoriadna dobrá (90 až 95 %), avšak na dotyk pripomínajú skoro až plastelínu. Aj z tohto dôvodu sú preto už používateľsky nevymeniteľné.

Pri pohľade na konštrukciu si nie je ťažké domyslieť, prečo je práve tento článok najviac náchylný na vznik konštrukčných chýb. Vo vakovom článku je možné elektródy značne ohýbať, pričom na to stačí aj mierne prehnutie zariadenia vo vrecku. Je takisto nesmierne jednoduché článok preraziť ostrým predmetom, čomu však našťastie v základe zabraňuje pevná konštrukcia smartfónu ako takého

Všetka energia uložená v rámci jedného článku, ktorý nemá ani žiadny pevný kovový ochranný plášť, je zároveň základnou odpoveď na to, prečo je porucha batérii smartfónov častejšie vídaným javom, než porucha batérie notebooku (netreba pravdaže zabudnúť ani na surový počet zariadení ako takých).

Do všetkého sa pravdaže pridáva to, že so stúpajúcim výkonom zariadení je potrebná stále lepšia batéria s väčšou energetickou hustotou a čím viac nejakú konštrukciu ženieme na doraz, tým viac hrozí, že sa jej slabina začne ukazovať.

Na tomto čiernobielom obrázku z mikroskopu môžete pekne vidieť, ako sú vrstvy katódy, teda kladnej elektródy, vzájomne prepojené a vedú do externého kontaktu batérie

Čo to v batérii vlastne syčí a horí a prečo?

Rýchla odpoveď: Hlavným palivom pri požiaroch Li-ion batérii je ich tekutý elektrolyt, v ktorom sú usadené jednotlivé pláty kladných a záporných elektród. Elektrolyt je tvorený organickými rozpúšťadlami (obvykle etylenkarbonát, propylenkarbonát či dimethylkarbonát) a anorganickou soľou (najčastejšie hexafluorofosfát).

Pri poškodení batérie dôjde ku vzájomnému priamemu kontaktu elektród, výsledkom čoho sú skraty a veľký nárast teploty. Ak je prehriatie príliš veľké, elektrolyt sa začne vyparovať a jeho plyn expanduje, čo batériu vizuálne nafúkne ako balónik.

Ak je ale prehriatie extrémne a teplota prekročí 150 °C, dôjde k naštartovaniu rýchlej exotermickej chemickej reakcie, pri ktorej teplota v okamihu vystrelí na niekoľko stoviek stupňov. Vzniknutý masívny tlak rozpínajúcich sa plynov telo batérie prerazí a vysoko vznetlivá tekutina elektrolytu a horľavý plyn vyrazia von v podobe dymu či rovno plameňa.

Presnejšia odpoveď: V základe môžeme poruchy batérii rozdeliť do dvoch kategórii. Do tej prvej sa radia interné problémy, spôsobená dizajnovou chybou konštrukcie, teda chybných elektród (katódy a anódy), separátoru alebo elektrolytu, prípadne procesu ich vzájomnej interakcie. Do druhej môžeme zaradiť externé príčiny, ktoré spôsobia zlyhanie batérie v prípade, že je nesprávne používaná. Ide napríklad o nabíjanie pod bodom mrazu, nejaký efekt nárazu, enormného externého tlaku či odstredivej sily.

Interné chyby v podobe zlého návrhu môžu spôsobiť zlyhanie batérie bez ohľadu na správanie používateľa. Prakticky nikdy nie je nejaký typ batérie chybný v 100 % prípadov a vždy sa nejaká slabina podieľa len na zvýšení pravdepodobnosti zlyhania.

Predpovedateľný interval poruchy je obvykle v rozmedzí nejakého malého čísla k miliónu. Veľmi chybné návrhy, ako bol napríklad prípad Samsungu Note 7, však môžu spôsobiť nárast na stovky či tisíce prípadov k miliónu.

Treba ale povedať, že aj keď je nejaký typ poruchy raritný, napríklad 1 : 1 000 000, tak vzhľadom na počet zariadení, ktoré Li-ion batérie používajú (napr. niekoľko miliárd smartfónov a pravdepodobne stovky miliárd iných zaradení aktuálne v prevádzke), sa aj raritné prípady dejú na svete prakticky každý deň.

Pri chybe v návrhu v základe nejde o to, že by bola zlúčenina elektrolytu zle namiešaná, alebo že by bola kladná katóda (obvykle zmes oxidu kobaltu a lítia) či záporná anóda (grafit) vyrobená s nejakými výrobnými nečistotami.

Príčinou problému je obvykle chyba ich usporiadania a zamotania, v rámci čoho dochádza k neželanému prerazeniu separátora a vzájomnému katastrofickému kontaktu opozičných elektród.

Na obrázku môžete vidieť napríklad jednu zo slabín batérii Galaxy Note 7, kde v niektorých batériách došlo pri výrobe k ohnutiu konca záporných elektród na bokoch batérie, čo zvyšovalo pravdepodobnosť kontaktu s kladnými elektródami.

Výrobné chyby, spôsobujúce zvýšené riziko porúch, však môžu byť rôzne. Pri vytváraní vaku a ohýbaní elektród koldokola môže dôjsť k tomu, že jednotlivé vrstvy sú nerovnomerne rozostúpené, pričom vzniká rozličný odpor a takisto teploty, pričom na nejakom mieste môže teplota prekročiť bezpečnú hranicu a oslabovať postupne separačnú vrstvu. Tá časom napokon zlyhá.

Inou príčinou je napríklad nazhromaždenie kovových čiastočiek na jednom mieste elektrolytu, čo vedie k poškodeniu saparátora a vzniku vodivého mostu medzi elektródami. Nech už skrátka k problému dôjde akokoľvek, výsledkom je, že medzi elektródami článku začne v jednom mieste interne prúdiť enormný prúd.

Dôjde teda ku skratu, pričom daný bod batérie sa silno zohreje a zoslabí. Následne začne prebiehať cyklus, ktorý sa v angličtine nazýva Thermal runaway, čo sa dá voľne preložiť ako tepelné splašenie.

Tepelné splašenie je v základe samopodporujúci sa kolobeh, kde nárast teploty vedie k vzniku dejov, ktorých výsledkom je ďalšie zvýšenie teploty. Ide teda o pozitívnu spätnoväzobnú slučku, ktorej výsledkom je premena kvapalných a pevných materiálov v batérii na plyn.

Plyn sa pri teplote niekoľkých stoviek stupňov Celzia začne enormne rozpínať, čo navonok vnímame ako výrazné nafúknutie batérie do podoby balónika. Batérie sú zvyčajne konštruované tak, že pri takomto nafúknutí dôjde k deformácii a vyradeniu z činnosti, čím sa eskalácii problému zabráni.

Batéria je následne síce nefunkčná a celkom zničená, ale nedošlo k prerazeniu jej plášťa a všetok plyn a nebezpečný materiál zostal vo vnútri jej konštrukcie.

To je pomerne dobrý výsledok zlyhania. Nie vždy však takéto šťastie nastane a tepelné splašenie môže byť natoľko výrazné, že tlak vzniknutého plynu je priveľký a plášť batérie sa prerazí, následkom čoho vyjde kúdol čierneho dymu, ktorý prechádza po zmiešaní so vzduchom do bielej farby.

Ak pri tepelnom splašení začne teplota dosahovať 500 až 900 °C, dochádza k samovznieteniu plynov a z batérie pri prerazení plášťa vyrazí masívny plameň. Takáto porucha sa v rámci odborných kruhov vývoja a výroby batérii označuje ako „Rapid disassembly”, teda doslova rapídny rozklad.

Aj keď sa často ľudovo a takisto v médiách stretnete s výrazom, že batéria alebo smartfón „explodoval“, skutočnosť je taká, že k skutočnej explózii, teda výbuchu batérie prakticky nikdy nedochádza.

Mierna rana sa pri prerazení plášťa môže ozvať, ale častejšie je len syčanie rapídne unikajúceho plynu cez malý prierez. Plášť je skrátka príliš mäkký a zranenia pri „explózii“ batérie tak nemajú za následok utrhnuté prsty či otras mozgu, ale veľké popáleniny z plameňa a vyletujúcej horúcej tekutiny a častí elektród. Obzvlášť to platí ak dôjde k vytvoreniu primitívnej trysky a zariadenie začne rotovať a chrliť horúce časti na všetky strany.

Rany ale môžu byť silnejšie pri valcových článkoch s kovovým telom, ako majú notebooky (alebo aj elektromobily). Problémom je to najmä preto, ak požiar jednej vyvolá rapídne zohriatie ostatných článkov v dosahu, čo vyvolá skoro až reťazovú reakciu.

Takéto problémy sú ale už vskutku raritné a skôr sú vyvolané úmyselne zvedavými používateľmi, ktorý ich prerazia skrutkovačom, nožom či sekerou.

Čo robiť ak si všimnem zlyhanie batérie?

Porucha bez prerazenia plášťa: Ak sa batéria nafúkne a nevydáva žiadny zvuk, dym ani zápach, došlo zrejme k poruche pri ktorej sa vyradila z činnosti. Ak je zariadenie pripojené do elektrickej siete, okamžite ho odpojte a umiestnite do dostatočnej vzdialenosti od horľavých materiálov.

Niekedy je nafúknutie tak veľké, že sa zariadenie rozpadne a batéria vyskočí von ako balón, takže je občas možné ju od zvyšku zariadenia odobrať. Batériu alebo celé zariadenie umiestnite napríklad von na chodník alebo do kovového vedra. K prípadnému obzretiu zariadenia a reklamácii pristupujte až o niekoľko hodín, či na nasledujúci deň, keď ste si istý, že sa stav batérie už nemení.

Porucha s prierazom plášťu: Ak si všimnete, že batéria vo vašom zariadení začala syčať, smrdieť a dymiť, okamžite telefón alebo iné zariadenie pustite z ruky a vzdiaľte sa. Medzi časom si pripravte hasiaci prístroj alebo iné nástroje na uhasenie prípadného požiaru.

Ak si všimnete takéhoto správania napríklad na stole, poličke či gauči, nikdy sa nesnažte telefón chytiť a utekať s ním von, alebo ho vyhadzovať z okna. Môže sa stať, že plameň o teplote stoviek stupňov Celzia vyšľahne proti vám presne v tom momente, ako ho chytíte.

K zariadeniu sa preto nepribližujte a nanajvýš jeho nabíjačku rýchlo odpojte zo siete, v prípade, že sa práve nabíja. Môžete ho takisto niečím dostatočne dlhým (metlou, stoličkou) posunúť alebo zhodiť na menej horľavé miesto. Nepanikárite však. Často krát je lepšie nechať telefón horieť na polici pri stene, ako ho zhodiť na zem na huňatý koberec.

Plameň batérie môžete hasiť penovým hasiacim prístrojom či pieskom. V domácich podmienkach a bežných bytoch pravdaže nič také obvykle nie je k dispozícii a preto sa nebojte požiar hasiť ani vodou, či karbonizovanou malinovkou, čo bežne odporúčajú letecké úrady pri požiare tohto typu na palubách lietadiel.

Vodou sa hasia bežne aj veľké požiare li-ion batérii v ich výrobných fabrikách. Lítium síce s vodou reaguje veľmi zle, ale v Li-ion batériách ho príliš veľa nie je a omnoho výraznejší je pozitívny efekt okamžitého schladenia, ktoré dostatočné spláchnutie vodou zabezpečí.

Aj keď budovanie nebezpečnej situácie vo vnútri batérie môže trvať aj niekoľko desiatok minút bez povšimnutia, v momente naštartovania tepelného splašenia (za hranicou 150 °C) je teplotný skok takmer okamžitý a môže sa priblížiť až k 1000 °C. Nemáte pritom žiadnu možnosť tomu zabrániť. Samotný plameň z batérie našťastie obvykle pominie behom pár sekúnd, takže je predovšetkým dôležité, aby sa nerozšíril zapálením iných objektov.

Po uhasení alebo vyhorení zariadenia nezabudnite na dobré vyvetranie. Dym obsahuje predovšetkým oxid uhoľnatý a oxid uhličitý, avšak súčasťou je aj etén či propén z vypareného elektrolytu.