Российские ученые разработали новый тип защитного слоя для литий-ионных батарей, который снижает тепловыделение при аварийном режиме работы и тем самым препятствует взрыву аккумулятора. Инновационная разработка позволит снизить риски самовозгораний электроники, а также травм и аварий в быту и на производствах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Batteries.
Литий-ионные батареи используются везде: от смартфонов и ноутбуков до электромобилей. Однако их безопасность вызывает вопросы: в них сочетаются активные окислители, восстановители и органические электролиты. Такое соседство может приводить к возгоранию и взрыву, а это, в свою очередь, — к травмам различной степени тяжести. Таким образом, разработка новых методов защиты от возгораний является важнейшим шагом на пути к созданию полностью безопасных батарей.
Как правило, возгорания происходят из-за теплового разгона батареи — резкого повышения температуры аккумулятора в аварийных режимах работы. Инициатором могут быть такие нежелательные явления, как перезаряд — состояние, когда аккумулятор имеет напряжение, превышающее предельное значение, — и переразряд, когда аккумулятор имеет напряжение ниже минимума. Перезаряд чаще всего происходит из-за неисправности зарядных устройств; с ним, например, связаны почти все известные случаи возгорания техники, находящейся на зарядке. Переразряд может вызываться неисправностью электронных схем устройства. Оба этих явления ведут к короткому замыканию внутри аккумулятора. Короткие замыкания могут возникать также из-за механического повреждения батареи и даже в обычных условиях, без какого-либо явного повода, — из-за дефектов сборки или ошибок проектирования аккумуляторов.
Группа ученых из Института химии Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) синтезировала полимер поли[Ni(CH3 OSalen)], который чувствителен к температуре и напряжению, благодаря чему может быть успешно применен в качестве защитного покрытия литий-ионных аккумуляторов. Предложенный механизм основан на способности полимера переключаться между двумя фазами — проводящей и изолирующей — при переразряде или резком скачке температуры.
Во время исследования ученые провели ряд экспериментов, которые доказали возможность практического использования такого эффекта. Полимер при нанесении на аккумуляторы практически не влияет на их заряд или разряд при нормальных условиях, но ситуация резко меняется, если возникает короткое замыкание. Ученые показали, что полимер обеспечивает снижение тока, что вызвано падением проводимости защитного слоя. Такое явление ведет к медленному разряду без заметного повреждения материала электрода или разогрева.
«Наша концепция защиты от короткого замыкания может быть применена ко многим видам электродных материалов, использующихся в самых различных устройствах — от телефонов до мощных промышленных аккумуляторов. Выбор полимера ограничивается только его электрическими свойствами. Разработка таких материалов может значительно улучшить защиту от короткого замыкания для элементов с высоковольтными материалами, например, в электромобилях. Сейчас наши полимеры заинтересовали одного из крупных производителей аккумуляторов, и мы рассчитываем на внедрение технологии в реальное производство. В дальнейшем планируем сделать процесс нанесения полимера более дешевым и технологичным, подобрать защитные слои под различные типы аккумуляторов», — рассказывает Олег Левин, доктор химических наук, руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, профессор кафедры электрохимии Института химии СПБГУ.