Bertalan
10 °C
28 °C

Mérnöki csoda, de attól még kigyullad

2016.12.06. 17:33
Valószínűleg a Samsung is abban reménykedik, hogy ahogy az elmúlt 15 év többi akkumulátor-gyulladásos esetét, úgy az övéket is elfelejtik majd a vásárlók. Ugyanis nem a dél-koreai cég az egyetlen, aki belefutott a hibába, ami nem is csoda: a mérnökök egy része szerint már az is csoda, hogy a lítiumionos akkumulátorok csak ennyiszer gyulladnak ki.

Csak azért, mert valamiből sokat gyártanak, még nem kisebbíti a mérnöki zsenialitást, amire szükség volt a megalkotásához – nagyjából így lehet röviden összefoglalni azt, amit sokszor elfelejtünk (vagy inkább eszünkbe sem jut), amikor arról beszélünk, hogy mekkora blama már, hogy az egyik legnépszerűbb telefonmárka legdrágább képviselője belebukott abba, hogy a legyártott sok millióból három tucatnyi kigyulladt.

Az akkumulátorok elméletileg nem bonyolult dolgok, még az olyan kifinomult, nagy mennyiségű energiát tároló változatok sem, mint a ma széles körben elterjedt lítiumionos változatok. Ahhoz, hogy megértsük, mi lehet velük a baj, először tudunk kell, hogyan működnek. A hivatalos megfogalmazás szerint akkumulátornak nevezzük az ismételt töltésre és kisütésre alkalmas áramforrásokat, melyek fejlesztésénél elsődleges cél a minél nagyobb kapacitás mellett minél kisebbek és könnyebbek legyenek, vagyis a lehető legnagyobb legyen az energiasűrűségük.

Érdekesség, hogy az akkumulátorok egyik legfiatalabb változatát, a lítium-ionos akkukat nem is mostanában kezdték el kifejleszteni, hanem jó 45 évvel ezelőtt. Eleinte fémes lítiumot tettek az akkumulátorokba, azonban ezek a legkisebb környezeti behatásra is hajlamosak voltak iszonyatosan gyorsan felforrósodni és felrobbanni. Ennek ellenére a kutatók hittek abban, hogy érdemes lehet fejleszteni, mert a számok azt mutatták, hogy a korábbi legjobb megoldáshoz, a Nikkel-kadmiumos akkumulátorokhoz képest jóval nagyobb kapacitást és cellafeszültséget lehet elérni. A kutatások szép lassan eljutottak odáig, hogy nem lítium van az akkukban, hanem az anód és a katód közt lévő elektrolitba teszik bele a lítiumionokat. Ez ugyan valamivel kisebb energiasűrűséget ad, de sokkal biztonságosabb és strapabíróbb akkut biztosít.

1991 óta töretlenül 

A sikertörténet a Sony indította el, mikor 1991-ben piacra dobta az első lítiumionos akkut, azóta pedig eljutottunk oda, hogy évente kétmilliárdnál is többet gyártanak belőle. Ezzel megy tulajdonképpen minden, amiben akkumulátor van: a villanyborotvától kezdve a telefonokig, elektromos autókig, sőt, repülőgépekig.

Azonban az 1991-es első változat után elég nagyot ugrott a készülékek energiaigénye, a fejlesztők pedig tulajdonképpen egyetlen módszerrel tudtak még nagyobb és nagyobb energiasűrűséget elérni: a szeparátor vékonyításával. Az akkumulátorban a már említett három fő részegység, az anód, a katód és az elektrolit mellett van egy negyedik dolog, a szeparátor. Ez egy vékony, ma már alig néhány mikron vastagságú réteg, amely biztosítja, hogy az anód és a katód ne találkozzon, a lítiumionok csak az elektroliton keresztül, közvetve közlekedjenek. Ha az anód és a katód mégis összeér, az elég komoly bajok elejét jelenti: az akku felforrósodik, az elektrolitból mindenféle gázok szabadulnak ki, és ha a külső tároló fala kiszakad, akkor egyrészt ezek a forró gázok kiszabadulnak, másrészt fel is gyulladhat az egész egység.

Ez a jelenség amúgy már régen is előfordult, a nagy különbség az, hogy régi lítiumionos akkumulátorokat még egy szöggel átütve sem lehetett nagyon robbanásra bírni (és ezt onnan tudjuk, hogy ez volt a teszt, amit ki kellett állniuk), addig a ma gyártott, óriási energiakapacitású akkumulátoroknak már egy kisebb ütés is segíthet felforrni.

A Samsung Galaxy Note 7-es visszahívását állítólag az hozta el, hogy a rosszul megtervezett akkumulátorban összeért, aminek nem lett volna szabad. De ez nem jelenti, hogy ez az egyetlen veszély. A lítiumionos akkumulátorok kevés hátránya közül az egyik az, hogy szükség van egy védőáramkörre, ami szabályozza mint a töltés, mind a töltöttség leadásának folyamatát, hogy ne sülhessen ki egyszerre túl sok energia. Ha ez a védőáramkör meghibásodik, az akkumulátort túl lehet tölteni, vagy túl gyorsan lehet tölteni. A védőáramkör lehet hibás gyárilag, de az is lehet, hogy egy utángyártott kínai töltővel egyszerűen mi magunk sütjük ki a védelmet. A baj az, hogy ez kívülről nem látszik, az akkumulátor látszólag ugyanúgy töltődik majd, mint korábban.

Dan Steingart, a Princeton egyik anyagismereti kutatója szerint az akkumulátorok olyanok, mint a befőttes gumi. A töltés ahhoz hasonlít, mikor széthúzzuk a gumit, az akku használata meg ahhoz, mikor elengedjük. Ahogy egy befőttes gumi el tud pattanni attól, hogy túlhúzzuk, egy akkumulátor is megszenvedi, ha nem úgy töltjük, ahogy kell.

Szintén probléma lehet a túl gyors töltés is. A Samsung-telefonoknál nem ez volt a hiba forrása, de ettől még érdemes tudni, hogy a speciális gyorstöltőknél nagyon fontos a töltő és az akku kompatibilitása, ellenkező esetben ugyanúgy füstölgő, prüszkölő és lángoló akkumulátor lehet a végeredmény.

Természetesen félni sem kell a lítiumionos akkumulátoroktól. Egyrészt azért, mert tényleg alig néhány baleset jut eszméletlen volumenben gyártott akkukra, másrészt azért, mert a félelem nem változtatja meg a tényt, hogy az elektromos cuccok túlnyomó többségében ilyen akkumulátor van.

Nagy erő, nagyobb felelősség

Inkább azt érdemes észben tartani, hogy mint a modern élet elég sok más vívmánya, úgy ezek az akkumulátorok is rejtenek némi kockázatot magukban, melyek általában eltörpül a rengeteg haszon mellett, amit hajtanak. Steingart szerint eleve potenciális bombaként kéne tekintenünk mindenre, amik ekkora mennyiségű energiát képesek tárolni ilyen kis helyen, ráadásul azt a sok energiát nagyon gyorsan ki is tudják engedni magukból. Valamit valamiért: az, hogy olyan erős számítógépet hordunk a zsebünkben, amiért az Apolló-program mérnökei öltek volna, nem megy komoly energiafelhasználás nélkül. Ráadásul mivel az akkumulátorok fejlesztése jóval lassabban megy annál, mint ahogy a telefonokba épített hardverelemek fejlődnek, illetve az ő energiaéhségük növekszik, a következő akku-technológia megjelenéséig el kell fogadnunk, hogy a mérnökök egy 90 százalékban már kihasznált lehetőségből préselik ki az utolsó cseppeket.

De azért azt is látni kell, hogy nem ez az első eset, hogy látszólag elértünk az akkuk képességeinek határáig. Az internet szerint több olyan alkalom is volt már, mikor egy gyártó visszahívta a lítiumionos akkuval szerelt termékeit:

  • 2004-ben a Kyocera egymillió egységet,
  • 2005-ben a Dell először 22 ezer laptop-akkumulátort, aztán
  • 2006-ban még 4,1 milliót, de
  • 2006-ban összesen úgy 10 millió laptopot hívtak vissza, volt benne Sony, Apple, Lenovo és még pár egyéb bőven – mindegyik a Sony akkumulátorát használta,
  • 2007-ben először a Lenovo hívott vissza 205 ezer akkumulátor robbanásveszély miatt, később pedig a Nokia laza 46 milliót.

Nagyjából így jutottunk el idén szeptemberig, amikor a Samsung nézett bele egy nagyobb pofonba, bár ők 35 jelentett eset alapján hívták vissza némi töketlenkedés után mind a 2,5 millió készüléket. Jellemző, hogy az embereket nehéz kizökkenteni a biztonságérzetükből: a kicsit döcögő visszaküldési folyamat felgyorsítása miatt kiadtak egy olyan frissítést, amely 60 százalékban maximalizálta a Note 7-esek töltöttségét, egyrészt hogy hátha úgy mindenki visszaviszi (és választ magának ingyen egy másik telefont), másrészt hogy ha még ettől sem jön meg az esze, legalább csökkenjen a veszély.

De a lítiumionos akkumulátorok nem csak telefon méretű tárgyakban okoznak gondokat. 2012-en az amerikai postaszolgálat, a USPS fél éves tiltást vezetett be: nem szállítottak tengerentúli címre semmit, amiben lítium-alapú akkumulátor volt. Ez elég komoly probléma volt, hiszen ha másoknak nem, az amerikai katonáknak valahogy el kellett juttatni ezt-azt, így a tiltást végül feloldották.

De érdekes eset volt a Boeing 787 Dreamlinerek földre parancsolása is. A teljesen új gépeknél sorban jelezték az üzemeltetők, hogy tűz keletkezett a lítiumionos akkumulátoroknál. A légügyi hatóságok akkor álltak a sarkukra, mikor öt nap alatt öt gépről jött be hasonló jelentés, akkor átmenetileg megtiltották a felszállást, hogy a vizsgálatok felmérjék, mekkora a veszély. A legjobb az egészben, hogy a tüzek pontos okát valójában máig nem ismeri senki, és a hatóság úgy adta meg újra a flottaengedélyt, hogy csak annyit kötött ki, hogy a gyártónak meg kell erősítenie az akkuk körül alkalmazott tűzvédelmi szigetelést.

A jövő jobb lesz?

Hogy mit hoz a jövő akku-fronton, azt egyelőre nehéz megmondani. Az biztos, hogy folynak olyan fejlesztések, amelyeknél a lítium ugyan megmarad, de az elektrolitokat speciális polimerekkel helyettesítik. Ez azért jó, mert most a folyadékként jelen lévő elektrolit kifújása az egyik legnagyobb veszély, ha ezt sikerült elhárítani, ráadásul a polimerek egyéb pozitív tulajdonságait is sikerül felhasználni, akkor máris kapunk egy még a mostaninál is kisebb, ellenállóbb, de kapacitásra nem kisebb akkumulátort. A lítiumion-akkumulátorok fejlesztési lehetőségei között szerepel az anód anyagának fejlesztése is: 2014-ben egy kínai kutatócsoport például az általában használt grafitot cserélte ki egy titán-dioxidból készült nanocsövekből álló zselére. Ez elég látványos fejlődést hozott: két perc alatt a névleges kapacitás 70 százalékára lehetett tölteni az akkut – azonban a piaci bevezetés azóta is várat magára.

A fejlesztések másik iránya természetesen a lítiumtól független megoldásokat keresi, ezek egyike lehet az üzemanyagcellák világa. Az üzemanyagcellák az elemekhez hasonlóan kémiai reakció útján működnek, a nagy különbség az, hogy míg az elemeket ki kell dobni, ha kiürültek, az üzemanyagcellák addig működnek, míg üzemanyagot töltenek beléjük. A baj az, hogy ez az üzemanyag általában valami éghető dolog, főleg hidrogén, esetleg metán vagy metanol – egyik sem az, amit szívesen tartanánk magunknál azért, hogy néha beleöntsünk egy kicsit a telefonunkba.

Ne maradjon le semmiről!