Иногда они взрываются. Электрическое расследование аккумуляторов в TWS-наушниках.

0. Пополняем индивидуальный Фобиарий.

В процессе ежеутреннего потребления новостей мое внимание привлек заголовок: "Взорвавшиеся беспроводные наушники убили человека".

https://www.ixbt.com/news/2021/08/09/vzorvavshiesja-besprovodnye-naushniki-ubili-cheloveka.html

И почему наушник так похож на Airpods?..

Потом, конечно, дописали, что это была не BT-гарнитура, а обычные проводные наушники, и что телефон был подключен к некачественному заряднику. В случае супердешевого девайса - это не должно быть удивительным: ведь при покупке, помимо стоимости бренда мы как бы вносим пару копеек в стоимость логистики, приемки, тестирования, сертификации, соответствию международным стандартам. Как я уже писал в статье про видеокарты: если посчитать только комплектующие и стоимость еды для монтажника - даже в штучном экземпляре устройство получается дешевле официальной серии, что уж говорить о партиях наушников по 120 рублей.

Круговорот хайпа вокруг опасных аккумуляторов стабильно подпитывает инфополе. Можно легко вспомнить как Samsung отзывали огромную партию новых Galaxy из-за возгорания аккумуляторов.

Или как господин Маск на презентации распинался, о том что Тесла не может начать делать новые аккумуляторные ячейки для автомобилей из-за каления анодного терминала.

Это приводит к мысли, что даже бренд - не гарантия от маленького огненного конфуза с любимым девайсом.

Чисто философски: возможность взорвать аккумулятор выглядит логично. Представьте себе сжатую сверхпрочную пружину с огромным коэффициентом упругости. Стоит одной удерживающей щелке ослабнуть, энергия сметет все преграды, пружина разожмется и пошлет страйкбольный шарик прямо в попу оппоненту, например)) Это похоже на историю с литиевыми аккумуляторами высокой емкости. Согласно википедии удельная плотность энергии в них 250 Вт*ч/кг, что выливается в популярные компактные ячейки формата 18650 с емкостями 3А*ч и даже побольше. А еще можно вспомнить отборные аккумуляторы для коптеров которые поддерживают разряд до 100С , т. е. на 5-10 минут маленькая батарейка может давать под сотню Ампер.  Хватит что бы разогреть небольшую чашечку кофе, например, или сжечь все тонкие проводки, или уничтожить какую-нибудь электронику. Или собрать из них "пинч-генератор", как в фильме "11 друзей Оушена".

С просторов интернета. Руководство по нарушению элементарной техники безопасности))

Как завершал нам господин Ленц, электрическая энергия хорошо конвертируется в тепловую. Зачастую в нежелательные градусы сокращающие срок службы компонентов. Но если плотность энергии высока, и нагрев мгновенен, то логично предположить, что последствия могут иметь даже взрывной характер.

В общем, меня как любителя засыпать в Эйрподсах интересует главный вопрос: каков шанс проснуться с утра двуликим?

Вы уверены, что он держит в руках монетку, а не coin-type литиевый аккумулятор?

По пути к ответу, придется разобраться еще пару сопутствующих тезисов: что есть аккумулятор в целом и что есть аккмулятор для TWS-гарнитур? Сколько там энергии? Как она контролируется? Для самых любопытных - вывод по традиции в конце, спойлер: там все скучно.

1. Электрохимия? Хемотроника? - Химичество!

Электрический ток - это движение заряженных частиц, значит кто-то должен эти частицы отдавать (окислитель), кто-то принимать (восстановитель) и кто-то переносить (электролит). То есть внутри классического аккумулятора идет парная окислительно-восстановительная реакция: один металл сливает электроны в раствор электролита, в котором образуются электрически-аффилированные ионы. Эти ребятам только дай волю с кем-нибудь прореагировать, поэтому они топают к второму металлу, который с них электроны собирает, восстанавливая свои энергетические уровни. По мере исчерпания потенциала - реакция уменьшается, ток ослабевает. Впрочем, иногда процесс можно развернуть вспять, закачивая электроэнергию в аккумулятор - перегнать все электроны "как было".  Ходят легенды, что свойствах электролита знали еще 2000 лет назад в древнем Багдаде.

Понятно, что лампочками древние Арабы не торговали. Но в какую-нибудь базовую гальванопластику поверить не так уж трудно.

Потратив 2000 лет на всякую ерунду вроде войн, инквизиций и работорговли, человечество (с подачи Гальвани) снова вернулось к вопросу добычи электроэнергии посредством засовывания металлических пластинок в разные растворы. В процессе разгона до большой науки, ученые вывели ряд электрохимических потенциалов и уравнение Нернста. Этот нехитрый набор позволяет посчитать сколько именно вольт даст комбинация двух выбранных металлов. И угадайте, кто ее условно возглавляет? Пара Li+/Li с разностным потенциалом в 3 Вольта.

Ок, с напряжением понятно, что там с током? Нуу, высокая математика нам говорит что поток - есть контурный интеграл от функции распределения источника. (Ходят легенды, если в тексте использовать много умных слов - можно случайно получить эффект дипломной работы среднестатистического ВУЗовского раздолбая). В нашем частном случае (однородный проводник/катализатор/среда без учета турбулентных эффектов)  - интуиция подсказывает, что будет прямая зависимость от площади металяшек. Чем выше площадь - тем большие токи можно прокачивать. Возможно, я ошибаюсь - этот абзац не опирается на источники, и взят из опыта разбора аккумуляторов. А современные аккумуляторы, чем то похожи на старые конденсаторы - это пирог из двух полосок фольги разделенных сепаратором и скрученный в рулет.

Анод, катод да сепаратор - вот и вышел кумулятор.

Сепаратор - это волокнистый материал пропитанный электролитом: солью, щелочью или кислотой. Т.е. хоть чем-нибудь с ионной химической связью - что позволит гонять заряды. Раньше пластины просто погружались в соответствующий раствор, но это лишний "бульк" в сторону удобства использования. Растворы как минимум завязаны на ориентацию аккумулятора в пространстве.

ПЕППА - это ПолиЭтилен-ПолиПропиленовый Аккумулятор. А вовсе не свинка)) И даже не спрашивайте, почему "свиньями" называют железнодорожные трансформаторы ))

В современных аккумуляторах - сепаратор дополнительно выполняет роль защитника. Например, за счет добавления керамической крошки в волокно - при перегреве он спекается, уменьшая взаимодействие электролита с электродами - соответственно снижая ток и уменьшая нагрев. Своего рода одноразовый предохранитель на крайние случаи.

Кстати, я забыл упомянуть, что современный житель РФ спокойно может называть батарейкой все что походе на цилиндр с плюсом и минусом. В то время как строгая терминология подразумевает разделение на: гальваноэлемент (cell), аккумулятор (Rechargeable cell) и сборку из них (battery). В основном батареи собирают последовательно - поскольку тока они обычно дают достаточно, а вот напряжения - единицы вольт. 3 стандартных литиевых аккмулятора 18650 в ряд - дают 3*3,7В=11,1В - что уже достаточно для большинства устройств. Но в случае лития, при зарядке нужен балансир. Иногда собирают параллельно - тогда напряжение остается стандартным, а ток отдачи кратно увеличивается. Здесь уже появляется ньюанс: нельзя собирать в такую батарею свежие и дохлые ячейки, поскольку в этом случае новая ячейка помимо питания устройства будет подзаряжать старую, пока их энергия не выровняется. Такой токовый перекос, не очень хорош ни для электроники ни для дохлой ячейки - поскольку это процесс не контролируемый. Зато при зарядке - балансир не нужен.

В особо мощных устройствах, например, самокатах - когда нужно и напряжение (от него зависит максимальная скорость) и ток (от него зависят тяговые характеристики) - применяет смешанную схему соединения. Т.е. сначала собирают 3 гирлянды из 10 батареек, а затем параллелят их. В виде формул записывают как 10s3p (10 cell seriall, 3 cell parrallel).

Для более точных расчетов в электротехнике ввели понятие внутреннего сопротивления. Это величина характеристическая - то есть, если взять мультиметр и ткнуть им в батарейку - ничем хорошим это не закончится. Простыми словами: она показывает какой ток разовьет аккумулятор если его замкнуть накоротко, в лабораторных условиях. Если батарейка 1.5В выдаст разряд силой в 3 Ампера - очевидно ее внутренне сопротивления по закону Ома: 1,5/3=0,5 Ома Зная внутреннее сопротивление - можно вычислять разбаланс в разнородных ячейках, например.

2. Энергетический зоопарк.

И оказался литий так хорош - что аккумуляторов из него наделали на любой вкус и цвет. Общая конструкция напоминает все те же гальванические ячейки Даниеля: 1) катод из алюминиевой фольги, на который нанесен катодный материал (кобальтат, например). 2) Анод из медной фольги, на который нанесен анодный материал (литий) 3) Сепаратор пропитанный электролитом. И все это завертывается в рулетик нужной формы.

Опять картинка с википедии. Ну а что поделать, это лучшая иллюстрация с "цветами и вкусами"

Литий (который применялся в первых аккумуляторах в качестве катодного материала), обнаружил интересное свойство выращивать металлические "дендриты" до анода и закорачивать ячейку саму на себя. А поскольку энергии в ней ого-го, это приводило к бурному перегреву с огненными спецэффектами. Кроме того - аккумуляторы теряли емкость при низких температурах (+5 и ниже), и выдерживали всего 50 циклов "заряд-разряд"

Инженерия стремясь решить эти проблемы - экспериментировала с различным катодным наполнителем и породила кучу различнынх подвидов литиевых аккумуляторов.

Это не просто полоски, это целая кривая человеческого прогресса. От австралопитека до космодесантника с BFG-9000. Нуу, пока только BFG-2021, нужны источники энергии в 10000 раз мощнее в том же объеме.

Разобраться в этом литиевом бардаке мне помогла фантастически классная статья с Battery University. https://batteryuniversity.com/article/bu-205-types-of-lithium-ion

Там очень хорошо разобраны все виды ячеек плюсы и минусы, и любезно нарисованы "бурятские диаграммы".

А вы знали что литиевые аккумуляторы изобрели в Японии? В той же стране, где и маркетинг Death Stranding. 3500 - это не только емкость ячейки в мА*ч, но и стоимость игры в Стиме. Совпадение? Не думаю! Гении живут там - говорю вам))

3. Так что там с наушниками?

True WireLess система подразумевает полное отсуствие проводов - а значит аккумулятор спрятан прямо в капсюле.

Картинка с iFixit. У меня прямого доступа к рентгеновской установке к сожалению нет.

X-Ray porn - недооцененный жанр, имхо.

Благодаря специалистам с iFixit мы может под рентгеном разглядеть аккумуляторы в AirPods. (Являясь пользователем второй версии, я нахожу эргономику и удобство этой модели на беспрецедентном уровне). Этот формфактор ячеек называется pin-type, в свободной продаже его не так легко встретить, но на крупных стоках встречаются в продаже версии от Panasonic.

На сайте компании можно даже раздобыть даташиты. Одни из любопытнейших моделей: CG-425A и BR435.

Что именно используется у яблочников сказать не могу, возможно, что-то заказное. Но в обычных китайских наушниках, есть ненулевая вероятность встретить именно этих красавцев.

Как можно заметить - первый аккумулятор - это уменьшенная копия обычного LFP со всеми присущими ему атрибутами (сильный импульсный разряд, 3,8Вольт номинального напряжения). Второй - это намного более экзотичная конструкция с т.н. органическим катодом (поликрабомонофлюорид). Представляет собой (порошковую) смесь угла и фтористого углерода. Это вроде как аккумуляторы одного из последних поколений, но согласно научным статьям и патентам, эта концепция разрабатывалась чуть ли не с 1971 года. 

По этим аккумуляторам довольно много информации в специфической литературе типа: Y. Matsuo, in New Fluorinated Carbons: Fundamentals and Applications, 2017 или K. Kordesch, W. Taucher-Mautner, in Encyclopedia of Electrochemical Power Sources, 2009 - но беглым гуглингом их найти не удалось, а в научных репозиториях за них денег просят по 15 тыщ.

Кривые разряда - такие же как и у всех.

В наушниках исполнения galaxy buds используют другой корпус аккумуляторов называемых coin-type. Похожее исполнение можно встретить в магазинах, под названием "таблетки" для всяких брелков. В прочем, даже имея похожий корпус - это совершенно разные сущности, вот например аккумулятор от Varta.

Чумба, накати колесиков.

Он исполнен на относительно отработанной технологии NMC. Хотя для ультракомпактных TWS - довольно габаритен, точных данных на источник из бадсов я не нашел. В целом же, эти колесики почти вытеснили марганец-цинковую классику в своем формфакторе. Много ли народу помнит тип Д026, которые питали микросхему БИОСа в древних ноутах 90-00х?))

4. Искусство - это взрыв!

Резюмируя, начнем с перечисления аргументов в пользу безопасности.

1. Современные материалы (NMC, NCA, LTO, органика) - практически негорючие, термостойкие и, ну скажем, негальванопластичны. Т. е. из-за их химической структуры - перемычка-дендрит не вырастет в процессе работы и не закоротит аккумулятор на себя.

2. Все мало-мальски приличные фирмы используют аккумуляторы сертифицированные IEC62133. Этот стандарт регламентирует серию достаточно жестких испытаний, проверяя все сценарии приводящими к поломке. В частности: перезаряд, вибрация, высокие температуры, термоциклирование, неправильное подключение, короткое замыкание, падение. термоудар, деформации и т. д. Полностью адаптирован в РФ в формате ГОСТа 2019 г. (Предполагаю, что есть как минимум институт квалифицированных экспертов, способных оценить и доказать эксплуатационные условия изделий).

Кривые руки - тоже проверяются.

3. Электронная защита.

В самом минималистичном случае - это может быть отключение по перегреву, превышению тока. В продвинутом - полноценный менджмент ячейки, с оценкой кривой заряда разряда, накопительной статистикой и чутким контролем изменений в характеристиках.

4. Малая энергетическая емкость.

Итак, у нас есть аккумулятор в пике выдающий 50мА на 3 вольтах. Если закоротить его на себя сколько тепловой энергии может выделиться?  Нуу, можно попробовать бегло оценить.

Ток и напряжение - взяты с даташита сверху. Термосопротивление - из эмпирических соображений. 150 градусов/Ватт - это предельные значения для компонентов радиоэлектронной аппаратуры в гражданском диапазоне, которые я встречал в даташитах. Обычно, это плохо разведенная плата, без охлаждения, наглухо замурованная в пластиковый корпус.

Сначала прикидываем внутренее сопротивление батарейки. Затем берем формулу тепловой работы тока. Внимательный глаз увидит, что я не домножил на время. Но вообще говоря, домножил, оно заложено в емкости нашего аккумулятора 50мА*ч. Ну и через гигантское термосопротивление получаем цифру 22.5 градуса. К ним еще надо прибавить стандартную температуру окружающей среды 25 градусов. В сумме получим: 47.5. Вот настолько может нагреться аккумулятор в TWS, замкнутый на себя. Для справки: 0,85 грамм чистого лития такой энергией (0,15 Дж/с) за час получилось бы нагреть на 76 градусов (удельная константа теплоемкости есть в википедии). Что уже намекает о невозможности возгорания. (Еще раз акцентирую внимание: этот расчет никак не претендует на достоверность, поскольку рассматривает абстрактный случай. В неабстрактном случае, судя по той же документации все характеристики сползут вниз: милливольты, миллиамперы и единицы минут. А если поддерживать точную температуру, тогда о большом термосопротивлении не может быть речи. В любом случае этот блог - размышления о фобии, а не научная статья для сертификации ячеек питания. Автор не владеет теплотехникой, только маленьким литиевым аккумулятором, который не нагревается при замыкании накоротко.)

Аргументы в пользу опасности.

Возможно, это смешно, но честно говоря - я их не нашел. Гипотетически, в самых дешевых китайско-индийских TWS может загореться зарядной чехол, при отказе контроллера зарядки. Но возгорание самого ушного капсюля - с учетом аргументов выше, какой-то совершенно фантастический сценарий, который с текущими данными представить не могу. Да и прецедентов в гугле не нашлось. Если вы что-то подобное встречали напишите в комментах, ну а я продолжу и дальше засыпать в наушниках под любимые подкастики))

Всем спокойных ночей.