Waarom lithium-ionbatterijen ontploffen

Samsung is aan het bekomen van een flinke kater doordat de batterij van zijn – ondertussen stopgezette – Galaxy Note 7 spontaan kon ontploffen. Problemen met lithium-ionbatterijen komen echter vaker voor dan je denkt. Zowat alle toestellen die een dergelijke accu bevatten, gaande van smartphones tot elektrische auto’s, zijn in het verleden al wel eens ontploft of in brand gevlogen. Hoe komt het dat de lithium-ionbatterijen voor problemen kunnen zorgen?

Werking batterij

Om te begrijpen wat de ontploffingen veroorzaakt, dien je eerst te weten hoe een lithium-ionbatterij werkt. De batterijen bestaan uit verschillende lithium-ioncellen en enkele beveiligingscomponenten, zoals temperatuursensoren en een spanningsmeter. Iedere lithium-ioncel bestaat op zijn beurt uit vier elementen, namelijk een kathode, anode, elektrolyt en afscheider.
De kathode is de positieve elektrode en bevat lithiumkobaltoxide (LiCoO2). De anode is daarentegen negatief geladen en bestaat uit koolstof. Tussen de elektrodes bevindt zich een elektrolyt dat meestal ether bevat en een afscheider. Zoals de naam doet vermoeden, moet de afscheider ervoor zorgen dat de positieve en negatieve elektrodes elkaar niet raken.
Wanneer je je batterij oplaadt, zullen lithium-ionen zich doorheen het elektrolyt begeven en vasthechten aan het koolstof aan de anodekant. Tijdens het ontladen van de accu gebeurt net het omgekeerde: de lithium-ionen begeven zich naar de kathode en vormen terug lithiumkobaltoxide. Tijdens dit proces komen eveneens elektronen vrij, welke via een elektrisch circuit naar de kathode gaan en voor stroom zorgen.

Kortsluiting

Eén van de grootste oorzaken van ontploffende lithium-ionbatterijen is een kortsluiting. Wanneer de kathode en anode elkaar slechts lichtjes raken, zal de accu enkel sneller ontladen. Bij een grote kortsluiting zal er echter zoveel stroom tussen de elektrodes stromen dat de temperatuur zal stijgen en de batterij in brand kan vliegen.
Er zijn verschillende manieren waarop een kortsluiting kan ontstaan in een batterij. In de eerste plaats kan een fabricagefout van de afscheider aan de basis van het probleem liggen. Een gaatje in het materiaal kan er immers voor zorgen dat de elektrodes met elkaar in contact komen. Een fysieke kracht, zoals een val, kan er eveneens voor zorgen dat de afscheider niet langer naar behoren werkt.
Nog een manier waarop er een kortsluiting kan ontstaan, is door contaminatie met kleine metalen deeltjes tijdens het productieproces van de batterij. Deze deeltjes kunnen op één plaats samenhechten, waardoor een stroom tussen de elektrodes kan ontstaan.
Tot slot kan je eveneens problemen krijgen wanneer je je batterij te snel oplaadt. Hierdoor zullen er namelijk lithiumplaten vormen aan de anodekant, welke wederom voor kortsluiting kunnen zorgen.

Fysieke schade

Wanneer de warmte in de batterij toeneemt, zal eveneens de druk stijgen. Eenmaal deze druk hoog genoeg is, kan de metalen behuizing van de accu kapot gaan en zal het elektrolyt in contact komen met andere componenten van je smartphone. Ook wanneer je op je toestel valt, kan de druk op je batterij toenemen.
Een val kan echter eveneens rechtstreeks de behuizing van een batterij breken. Het elektrolyt kan hierdoor uit de accu stromen en de afscheider kan eveneens kapot gaan, waarna kortsluiting onvermijdelijk is.

Thermal runaway

Door voorgaande oorzaken en hitte van buitenaf kan de batterij in je smartphone zo warm worden dat zogenaamde ‘thermal runaway’ ontstaat. Dit fenomeen doet zich voor wanneer door hitte gassen worden gecreëerd in de accu. Deze gassen zullen oncontroleerbaar reageren met de materialen van de batterij en het probleem zal zich naar de andere lithium-ioncellen verspreiden.
Eenmaal thermal runaway is begonnen, is het bijna onmogelijk om het destructieve proces te stoppen. Je batterij zal ontvlammen en er zit niets anders op dan te wachten tot je toestel is uitgebrand.