Британские учёные доказали: аккумуляторы одноразовых электронных сигарет выбрасывают раньше времени

Учёные Университского колледжа Лондона и Оксфорда при поддержке Института Фарадея выяснили, что литий-ионные аккумуляторы в одноразовых электронных сигаретах могут работать сотни циклов после однократного использования.

Одноразовые электронные сигареты, работающие на литий-ионных аккумуляторах, в последние годы приобрели огромную популярность. Литий и другие важные материалы, используемые для изготовления аккумуляторных батарей, пользуются большим спросом в современном технологичном мире, однако батареи, используемые в одноразовых электронных сигаретах, также используются один раз. При неправильной утилизации они также представляют серьёзную опасность возгорания.

Британские исследователи задались вопросом, подходят ли аккумуляторы одноразовых электронных сигарет для циклической зарядки/разрядки, а также изучили их реакцию на повреждение. Аккумуляторные батареи из одноразовых ЭСДН показали впечатляющие характеристики, выдерживая более 700 циклов. В исследовании рассматриваются пригодность для повторного использования и аспекты безопасности аккумуляторов одноразовых электронных сигарет. С помощью электрохимических методов и методов определения характеристик безопасности были оценены производительность этих элементов и риски. Эксперименты показали, что аккумуляторы, позиционируемые как одноразовые, способны выполнять 474 цикла зарядки/разрядки, прежде чем их ёмкость снизится до 80%. 

В работе, которая была опубликована в научном журнале Joule, описываются потенциальные опасности для здоровья пользователей одноразовых устройств и предлагается возможность повторного использования аккумуляторов.

С 2021 года наблюдается быстрый рост популярности одноразовых электронных сигарет. В частности, популярность этих девайсов среди молодёжи стала основной движущей силой роста продаж. Так, было обнаружено, что в период с января 2021 года по апрель 2022 года число людей, использующих одноразовые электронные сигареты, увеличилось в 18 раз. Число 18-летних, использующих одноразовые устройства, увеличилось с 0,4% до 54,8% за 15-месячный период. В отчёте ASH (Action on Smoking and Health) за 2023 год говорится, что распространённость вейпинга среди подростков в возрасте от 11 до 17 лет выросла с 11,2% в 2020 году до 20,5% в 2023 году, при этом 69% из них используют одноразовые электронные сигареты больше, чем другие способы получения никотина. 

Таблица 1. Доля рынка электронных сигарет в 2022 г.

Результаты научного исследования

Как показано на рисунке А, исследуемый аккумулятор рассчитан на 550 мАч с номинальным напряжением 3,7 В. Напряжение аккумуляторных батарей, извлечённых из неиспользованных электронных сигарет, имело диапазон от 4,1 до 4,2 В.

Fluid sponge/wick — губка, пропитанная жидкостью/фитиль

Atomiser — испарительный элемент

Battery cell — аккумуляторная батарея

Sensor/bottom plug — датчик, нижний разъём

Possible misalignment — возможное несовпадение

Nickel tab — никелевая вкладка

Электрохимическая характеристика

Для оценки производительности батарей электронных сигарет четыре из них были подвергнуты длительным циклическим испытаниям с разными скоростями (C/5, C/2, 1C и 2C), пока они не достигли 80% своей первоначальной ёмкости (150 дней разрядки/зарядки). Дополнительные данные можно найти на рисунке ниже.

При скорости C/20 батареи имели ёмкость 590–600 мАч. Разница между измеренной и номинальной ёмкостью, указанной производителем, возможно, связана с выбором диапазона напряжения, поскольку элемент мог быть предназначен для использования с меньшим диапазоном. Ёмкость снизилась до 585–595 мАч у C/10 и 545–560 мАч у 1С. Как показано на рисунке C, скорость 2C позже использовалась при длительной эксплуатации аккумуляторов. Для батареек, которые позиционируются как одноразовые, они показали впечатляющую производительность со снижением емкости <10% между C/10 и 1C. Профили напряжения, показанные на рисунке B, сохраняют свою форму при разных скоростях, при этом начальное падение напряжения увеличивается с увеличением скорости.

На рисунке C показаны особенности сохранения ёмкости аккумулятора в процессе разрядки. Например, у аккумуляторов 1C и 2C ёмкость снижается с одинаковой скоростью в течение первых 300 циклов. Батарея 2C демонстрирует «точку перегиба» при 300 циклах, где наблюдается отчетливое падение ёмкости с 92% при 300 циклах и до 80% при 384 циклах. При непрерывном циклировании батареи 1C точки перегиба не наблюдается до достижения 396 циклов, а для достижения ёмкости 80% потребовалось 474 цикла.

Показатели циклической работы батареек на уровне C/5 и C/2 аналогичны, и обе показали более высокие характеристики циклической работы, чем батарейки, работающие на более высоких скоростях. Однако аккумулятор C/5 показал более сильное снижение мощности по сравнению с аккумулятором C/2. Аккумуляторы C/2 и C/5 не достигли 80% мощности за время сбора данных. Батарейка C/2 была снята после 700 циклов при сохранении емкости 94%, а ячейка C/5 — после 300 циклов при сохранении ёмкости 95%. Снижение ёмкости во время циклов происходит медленно. Ожидается, что более высокие скорости C вызовут более быстрый износ материалов из-за ряда механизмов, включая повышенное внутреннее сопротивление, побочные реакции и неоднородность заряда.

В целом циклические характеристики аккумуляторов одноразовых электронных сигарет превосходны для батарей устройств, продаваемых как одноразовые, причем даже аккумуляторы, выполняющие цикл со скоростью 2C, сохраняют первоначальную ёмкость выше 80% в течение почти 400 циклов. Это подчёркивает проблему значительной затраты материалов, которая возникает при выбрасывании устройств, в которых находятся потенциально долговечные батареи. Аккумуляторы могут работать в течение значительного периода времени, что подтверждает необходимость борьбы с лишними отходами. 

Чтобы предотвратить постоянное появление огромного количества отходов из-за выбрасывания батарей от ЭСДН, требуется более строгое регулирование. Это может принимать различные формы, включая принуждение производителей инвестировать в инфраструктуру переработки, «замыкание цикла», чтобы хотя бы часть сырья использовалась повторно. В качестве альтернативы производители могли бы классифицировать батареи одноразовых девайсов как пригодные для многократного использования, а также сделать их извлечение из электронных сигарет более простой задачей. Таким образом, батарейку будет легче удалить из устройства и дать ей вторую жизнь. 

Проверка безопасности 

Чтобы изучить характеристики безопасности одноразовых электронных сигарет, на полностью заряженном аккумуляторе также был проведён тест на протыкание его гвоздём (см. рисунок). Термопара, помещённая после этого непосредственно на аккумуляторную батарею, зафиксировала самую высокую температуру (495°С). Внешняя часть устройства имела более низкую температуру: 270°C на корпусе и 170°C возле мундштука. Предполагается, что корпус устройства изолирует аккумулятор, однако 270°C — это в любом случае очень высокая температура, взаимодействие с которой может привести к серьёзным ожогам или возгоранию. 

Вывод

Проведённая учёными работа продемонстрировала, что элементы, продаваемые как одноразовые, пригодны для повторного использования. Исследователи полагают, что аккумуляторы продаются таким образом, чтобы обойти стандарты безопасности, необходимые для перезарядки, несмотря на то, что они содержат все необходимые материалы. Стоит также отметить, что заряженные аккумуляторы одноразовых электронных сигарет представляют значительную опасность для здоровья, если с ними не обращаться осторожно. Как считают учёные, для предотвращения растраты драгоценных материалов требуется более строгое регулирование на законодательном уровне, направленное на то, чтобы сделать аккумуляторы перезаряжаемыми, инвестировать больше средств в сферу переработки отходов либо ввести общенациональный запрет на использование одноразовых электронных сигарет в целом.

Подписывайтесь на наш телеграм-канал.