Батарейки просят огня

Фото: Александр Богачев / Коммерсантъ

Пейджеры, которые были популярны в 1980–1990-х годах, до появления мобильных телефонов, — это простые устройства, принимающие короткие сообщения через радиочастоты. Хотя технология устарела, устройства до сих пор используются в случаях, когда в приоритете анонимность и защита от слежки.
Взрывы устройств, которые произошли в Ливане, были вызваны не самим строением батарей, а тем, что в них добавили взрывчатое вещество. В пейджерах используются либо щелочные, либо литиевые батареи, которые сами по себе не представляют опасности, если не вмешиваются внешние факторы. 
Однако пользователи других гаджетов тоже забеспокоились. Тем более что тема не новая: в самых обычных смартфонах, ноутбуках, электромобилях и даже в системах хранения энергии для солнечных панелей используются литий-ионные (Li-ion) батареи, и как раз они склонны к возгоранию. О таких инцидентах многие слышали или читали. Это связано с особенностями химического состава и использованием жидкого электролита на основе солей лития в органических растворителях. Перегрев, излишняя зарядка или механические повреждения могут привести к пожарам или взрывам. Производственные дефекты и ошибки в конструкции увеличивают вероятность проблем.

Хотя взрывы аккумуляторных батарей в телефонах редки, они всё же случаются. Один из самых известных скандалов произошел в 2016 году со смартфоном Samsung Galaxy Note 7, который очень ждали поклонники этой модели. Но ждали напрасно.
Дефектные литий-ионные батареи в телефоне вызвали серию возгораний во время или сразу после зарядки, что привело к отзыву более 2,5 млн устройств по всему миру. Этот инцидент стоил компании Samsung около $5,3 млрд из-за прямых убытков от отзыва, без учета репутационных потерь. Причиной возгораний были конструктивные дефекты в батареях, произведенных двумя разными поставщиками.
Инженеры и разработчики с тех пор уделяют особое внимание безопасности аккумуляторов. В современных телефонах используются системы охлаждения: паровые камеры и графитовые пластины предотвращают перегрев, рассеивая тепло от процессора. Даже в случае сильного нагрева устройство обычно расплавляется или батарея начинает течь, но до взрыва дело доходит крайне редко.
Могут ли телефоны взорваться из-за хакерской атаки? Теоретически это возможно через уязвимости в прошивке. Однако проведение такой атаки крайне маловероятно, так как устройства разных производителей оснащены различными системами защиты, и даже при единичном взломе массового взрыва не произойдет.

Электромобили с большими литий-ионными батареями также подвержены рискам перегрева. Одна из главных проблем — это так называемый тепловой разгон, когда батарея нагревается до такой степени, что возникает неконтролируемая цепная реакция, способная привести к возгоранию.
Производители электромобилей Tesla и Hyundai с этим сталкивались. Например, Hyundai отозвала 75 тыс. автомобилей Kona EV после сообщений о возгораниях, большинство из которых были вызваны перегревом. Компании это обошлось в $900 млн.
У компании Tesla также были зафиксированы возгорания, которые происходили как при движении, так и во время зарядки. Например, в 2019 году в Шанхае и Гонконге были зафиксированы случаи, когда стоящие на парковке автомобили Model S загорелись без видимых повреждений. В ответ Tesla выпустила обновления программного обеспечения для улучшения управления зарядкой и тепловыми режимами батарей, но обошлась без массового отзыва автомобилей.
Проблемы с литий-ионными батареями случаются и у морской техники. В апреле 2024 года Австралийское управление по безопасности на море зафиксировало взрыв на рыболовном судне, стоящем на якоре. Инцидент был вызван неправильной установкой батареи и отсутствием должной вентиляции — в Австралии все-таки очень жарко. Взрыв был такой силы, что обломки маленького судна разлетелись на 30 метров, и ремонтировать там просто было уже нечего.

Одним из решений проблемы могут стать твердотельные батареи. Эти устройства не используют жидкий электролит, то есть они безопаснее и менее подвержены риску возгорания, а энергии на единицу веса и объема они могут накапливать в 2 раза больше. Если литий-ионные батареи хранят 250–300 Вт·ч/кг, твердотельные — уже более 500 Вт·ч/кг.
Перспективы особенно внушительны для электромобилей. Ожидается, что эти батареи смогут увеличить на 50–100% дальность поездки без необходимости подзарядки. Например, компания Samsung в этом году продемонстрировала прототип твердотельной батареи, которая обеспечивает пробег до 1 тыс. км и выдерживает более 1 тыс. циклов зарядки. Первые опытные образцы компания уже поставила клиентам. Массовое производство планируется к 2027 году. 
Toyota также активно работает над этой технологией, запуск производства намечен к 2027–2028 годам. В ее планах создание батарей, обеспечивающих пробег до 1207 км и быструю зарядку за 10 минут. Первоначально эти аккумуляторы будут установлены в гибридных автомобилях, а затем в полностью электрических. Эксперты считают, что твердотельные батареи позволят водителям не переживать о том, хватит ли им заряда, чтобы добраться до нужного места, а это ускорит глобальное внедрение электромобилей.

Большие перспективы и у графеновых батарей. Графен — это одноатомный слой углерода, который получают из графита. О его свойствах впервые рассказали 20 лет назад британские ученые российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новоселов. За это открытие они получили Нобелевскую премию. Для получения графена ученые использовали простой метод — снимали с карандаша слои графита при помощи скотча, пока не дошли до самого тонкого, толщиной в один атом.
Он оказался отличным материалом для аккумуляторов. Компании Samsung, Huawei и несколько стартапов уже разрабатывают графеновые батареи. Такие аккумуляторы будут заряжаться в 5–10 раз быстрее и хранить больше энергии, чем литий-ионные. К тому же они лучше переносят многократные циклы зарядки и разрядки, что значительно увеличивает их срок службы.
Основным потребителем для таких батарей, вероятно, станут автокомпании, однако массовое производство графеновых аккумуляторов для этой цели ожидается не раньше 2030-х годов.
Пока загвоздка в дороговизне материала. Стоимость высококачественного графена, подходящего для использования в аккумуляторах, — $100–200 за грамм. Для батарейки нужно от нескольких миллиграммов до нескольких граммов.
По мере совершенствования технологий стоимость будет снижаться. В ближайшие годы графеновые батареи появятся и в мобильных устройствах. Хотя их производство всё же не будет дешевым, пользователи готовы платить втридорога за устройства, которые работают в несколько раз дольше, заряжаются за пару минут и не взрываются.