Waarom ontploffen smartphonebatterijen eigenlijk?

Samsung is gestopt met de verkoop van de Galaxy Note 7 en adviseert om de toestellen niet meer aan te zetten. De iPhone heeft één concurrent minder, maar ondertussen duiken ook de eerste verhalen op over iPhones die in broekzakken ontbranden. Voorlopig alleen in de VS, maar dit soort incidenten heeft de neiging om zich als een lopend vuurtje te verspreiden. Waarom ontploffen batterijen eigenlijk en hoe groot is de kans dat jij ermee te maken krijgt?

Ook iPhones vliegen wel eens in de brand

Ook de iPhone ontkomt niet aan het ontploffingsvirus waar de Note 7 aan ten onder is gegaan. Op 6 oktober sloegen de vlammen uit de iPhone 6 Plus van Yvette Estrada, een vrouw uit Californië. Haar toestel lag op een kast in de slaapkamer te laden. “Ik hoorde gesis, daarna een plop en er kwamen vlammen uit het scherm”, aldus de vrouw. Haar echtgenoot gooide de telefoon snel in de wasbak, zette de kraan aan en het duo belde vervolgens het noodnummer 911.

Een dag later vloog alweer een iPhone 6 Plus in de brand, deze keer bij een student uit New Jersey. Hij zat in een klaslokaal toen de iPhone in zijn achterzak erg heet werd. “Ik voelde zo’n vreemd, brandend gevoel bij mijn been”, aldus Darin Hlavaty. “Net toen de les van start ging, begon mijn telefoon te roken in mijn zak. Het was een brandje.” Andere studenten zeggen dat ze plotseling een plopgeluid hoorden, vlak voordat de iPhone begon te roken en uiteindelijk vlam vatte. De student gooide het toestel snel weg, waardoor de schade meeviel.

‘Bovenop de iPhone gaan zitten’
Meestal vliegen telefoons met lithium-ion-batterijen in de brand als ze worden opgeladen, maar bij deze student was dat niet het geval. Wel geeft hij toe dat hij waarschijnlijk bovenop zijn iPhone zat waardoor het toestel kan zijn verbogen. Daardoor kan de ontbranding zijn ontstaan. Of het toeval is dat beide incidenten zich nu voordoen, of dat lokale media er gewoon wat meer op gebrand is om aandacht te besteden aan dit soort voorvallen, is nog de vraag. Voorlopig geldt er in ieder geval nog geen code rood voor het gebruik van iPhones. Het zijn voorlopig geïsoleerde incidenten en het is niet te vergelijken met de honderden Note 7’s die inmiddels in brand zijn gevlogen.

Wel heeft Apple het fenomeen in het verleden al eens meegemaakt. In 2009 was er bijna wekelijks nieuws over ‘ontploffende’ iPhones die vlam hadden gevat, ook in Nederland:

Ook vervangende toestellen niet veilig
Apple onderzoekt beide hierboven genoemde zaken. Uiteraard omdat ze een rampscenario zoals bij de Samsung Galaxy Note 7 willen voorkomen. De Galaxy Note 7 werd geprezen om z’n fantastische batterijduur en de supersnelle oplaadfunctie, totdat bleek dat steeds meer toestellen in rook opgingen, explodeerden of vlam vatten. Zelfs de vervangende toestellen die volgens Samsung ‘veilig’ waren bleken spontaan te ontbranden. Het zou te maken hebben met Samsung’s haastige productie om de Note 7 vóór de iPhone 7 op de markt te brengen.

Smartphonefabrikanten doen er alles aan om de batterijcapaciteit te verbeteren en om functies zoals snelladen aan te bieden. De ontwikkelingen in batterijtechnologie gaan daarbij een stuk minder vlot dan bij processoren, waar elk jaar wel weer een versnelling van 50% tot 100% kan worden geboekt. Bij batterijen gaat het met sprongen van een paar procenten en bij Apple blijft de batterijduur vaak gelijk.

Batterijen zijn explosief

Een batterij bestaat uit een behuizing van metaal en plastic, met daarin chemicaliën die een scheikundige reactie aangaan. Dit levert energie op. Gebruik je de iPhone, dan zullen elektronen van de minpool (anode) worden vrijgemaakt en aan de pluspool (cathode) worden gebonden. De stroom loopt vanaf de minpool via het elektronische circuits van de iPhone naar de pluspool. Bij een oplaadbare batterij zijn deze chemische processen omkeerbaar. Door de iPhone op het stopcontact aan te sluiten zullen de elektronen in omgekeerde richting worden gedwongen, waardoor er energie wordt opgeslagen, die later weer vrijkomt. Zo gaat het eindeloos door, totdat de batterij is uitgeput. De batterijduur neemt dan ook constant af, bij elke cyclus van opladen en ontladen.

De chemische reactie die elektriciteit opwekt veroorzaakt namelijk een afzetting van lithium op de elektroden, waardoor de interne weerstand van de batterij toeneemt. Meer weerstand betekent meer moeite om de spanning vast te houden.

Wil je je batterij niet te veel belasten, dan kun je zorgen dat de batterijstatus tussen de 20% en 80% blijft. Opladen van 80% naar 100% kost extra energie en duurt relatief lang. Met slimme systemen voor energiebeheer zorgt Apple ervoor dat je veilig kunt opladen, ook als je je iPhone de hele nacht aan het stopcontact laat hangen. Constant aan het stroom laten hangen is een minder goed idee, maar dat gebeurt zelden bij een iPhone. Bij laptops is het gebruikelijker dat ze constant aan de stekker hangen.

Update 13:45u: iCulture-lezer Jorrit van Wamel attendeerde ons op het volgende. Volgens een medewerker van de Genius Bar zijn de nieuwste MacBooks (met Retina-scherm) voorzien van een beveiliging, zodat je deze continu aan het stroom kunt hangen. “Op het moment dat de batterij 100% is opgeladen, wordt deze uitgeschakeld en werkt de MacBook rechtstreeks vanaf de netstroom, en niet meer via de batterij”, aldus Jorrit. “Oudere MacBooks (voor Retina-versies) hebben een oudere accu waar de stroom, ook bij 100% opgeladen te zijn, nog steeds door de accu stroomt en daardoor is het daar wel beter om deze regelmatig los te koppelen.”

Fysieke grenzen aan de groei
Bij batterijen zitten er twee beperkende factoren in de weg:

• De energiedichtheid (energie per massa) is moeilijk op te voeren, zonder dat het gevaarlijk wordt
• Smartphones worden steeds platter en compacter, waardoor er minder ruimte is voor de batterij

Er zit een maximum aan de hoeveelheid energie die de chemische stoffen kunnen opslaan. Bij een lithium-ion-batterij van een smartphone ligt de energiedichtheid rond de 150 Wattuur per kilo en het is lastig om die grens verder op te schroeven zonder dat er gevaarlijke situaties ontstaan. Er zijn wel accu’s met een hogere energiedichtheid dan de lithium-batterijen die we in smartphones gebruiken, maar die zijn niet veilig genoeg om in consumentenelektronica te gebruiken.

Als je de batterijduur van een smartphone wilt verlengen kun je beter de componenten zuiniger maken (wat Apple continu doet) of de batterij groter maken (eveneens iets wat Apple heeft gedaan bij de iPhone 7, door de koptelefoonaansluiting weg te halen).

Gevaar vanaf 80 graden

Bij het opladen kan je smartphone soms erg heet worden. Voorbij de 80 graden Celsius wordt het gevaarlijk en gaan de componenten kapot. Er kan een kettingreactie ontstaan die thermal runaway wordt genoemd. De temperatuur stijgt steeds verder, totdat de batterij kapot gaat. Het is een ongecontroleerde positieve feedback. Door de verbranding neemt de temperatuur nog verder toe, waardoor nog meer energie vrijkomt. Het komt in nog meer vakgebieden voor, bijvoorbeeld bij betonverwerking in de wegenbouw en bij nucleaire fusiereacties in sterren.

Bij batterijen kan er een temperatuurprobleem ontstaan voorbij de 80 graden Celsius. Vandaar dat de ontploffings- en brandproblemen zich vooral voordoen bij het opladen. Bij de student in het bovengenoemde voorbeeld kan de interne structuur van de batterij kapot zijn geraakt, waardoor andere componenten aangetast werden.

Foto via Wikipedia

Steeds hogere energiedichtheid
Helaas zitten we de komende jaren nog wel aan lithium-ion-batterijen vast, gebaseerd op lithium en mangaan(IV)oxide (zie foto). Deze hebben een theoretische maximale energiedichtheid van 280 Wattuur per kilogram. Wil je een hogere output, dan heb je een poreuzere structuur aan de binnenkant nodig, maar daardoor gaat de capaciteit ook omlaag. Daarnaast wordt gekeken naar nieuwe combinaties zoals lithium-silicium-accu’s en lithium-zwavel-accu’s (Li-S) Door de lage soortelijke massa van lithium en de gemiddelde soortelijke massa van zwavel zijn deze accu’s relatief licht. Hiermee is een energiedichtheid van 350 Wh/kg mogelijk.

Silicium heeft een veel hogere energiedichtheid dan de anode-materialen die momenteel worden gebruikt, maar er zijn obstakels om het commercieel toepasbaar te maken. De eerste laboratorium-experimenten met dit type accu begonnen al in de jaren negentig. Voor de toekomst wordt er gewerkt aan solid state-batterijen waarin geen vloeibare elektrolyt meer wordt gebruikt, wat veiliger is. Er is dan geen poreuze anode meer nodig en het gewicht van de batterij kan lager worden.

De toekomst: lithium-luchtbatterijen

De grootste belofte voor de toekomst zijn lithium-luchtbatterijen (ook wel Li-air genoemd). Het grootste voordeel daarvan is de grote energiedichtheid. Theoretisch is een energiedichtheid haalbaar van 12 kWh/kg, bijna net zoveel als de energiedichtheid van benzine (13 kWh/kg).

Deze metaal-luchtbatterij maakt gebruik van oxidatie van lithium aan de anode en reductie van zuurstof aan de kathode, zodat een elektrische stroom ontstaat. In de jaren zeventig werd het al bedacht als stroombron voor elektrische voertuigen en de afgelopen jaren is de belangstelling weer toegenomen omdat het milieuvriendelijk is en geen gebruik maakt van fossiele brandstoffen. In plaats van lithium kan er ook gebruik worden gemaakt van zink of aluminium als anode.