Специалисты из СПбГУ (Санкт-Петербург) выявили интересную особенность. Полимерный слой между фольгированной оболочкой и катодным материалом в литий-ионной батарее может спасти от взрыва или возгорания батареи. Разработанный учёными полимерный состав является электрическим проводником. Однако после того, как напряжение станет выше того, на которое рассчитана АКБ, происходит окисление, и полимер перестаёт быть проводником. Вследствие этого аккумулятор в телефонах и автокарах не перегреется и не возгорается.
В настоящее время литий-ионные аккумуляторы устанавливаются в смартфонах, электромобилях и другой электротехнике, где требуется длительное удержание заряда. В аккумуляторе имеются два электрода – катод и анод. Катод выполнен на основе оксида лития, который нанесён на фольгу из алюминия. Анод – из углеродистого материала на фольге из меди. Между электродами находится сепаратор, который пропитан электролитом – жидкостью на основе солей и растворителей. Если вследствие нагрева либо другого внешнего воздействия происходит повреждение сепаратора, анод с катодом вступают в реакцию друг с другом со стремительным разложением. При этом выделяется тепловая энергия, батарея нагревается до 600 градусов С. Из-за этого в нашей стране ежемесячно происходят десятки случаев пожаров и взрывов телефонных аккумуляторов.
Самая распространённая причина быстрого нагрева – короткое замыкание, происходящее, в частности из-за повреждений извне. Помимо этого, в результате применения в морозную погоду либо при высоких зарядных токах в АКБ возникают литиевые дендриты – небольшие ходы лития, замыкающие цепь. В том числе по этой причине аккумулятор нуждается в защите от пожара.
Санкт-петербургские физики создали такой материал, который подобные явления предотвращает. Подобное полимерное соединение состоит из органических цепочек, включающих в себе молекулы никеля. Как уже было сказано, в обычных условиях это соединение – проводник, а при температурном окислении переходит в состояние диэлектрика и перестаёт проводить ток.
Разработчики нанесли немного этого вещества между фольгой из алюминия и катодом. В обычной АКБ при росте напряжения в цепи (в частности, из-за повышенного напряжения в розетке) происходит вздутие, нагрев, разрушение структуры, возможны взрыв и/или возгорание. В модернизированном аккумуляторе цепь быстро размыкается. При высокой температуре полимер не проводит ток, а значит, вероятность взрыва и пожара стремится к нулю. Аналогичный эффект происходит в случае КЗ – подложка не проводит ток, если аккумулятор разряжается ниже критического минимума. Подобная технология обеспечивает защиту от самовозгорания.
Исследователи протестировали так называемые «монетные аккумуляторы» – небольшие батарейки размером с монету, применяемые в «умных часах». Согласно результатам тестирования, при выходе напряжения за пределы от 2.8 В (уровень остановки разрядки) до 5 В (номинальное напряжение зарядки гаджетов) система размыкала цепь в 100% случаев. В то же время слой полимера не оказал существенного влияния на производительность аккумулятора.