Ученые Санкт-Петербургского государственного университета разработали тонкий полимерный слой, который работает как внутренний пассивный элемент защиты литий-ионных аккумуляторов. При внутреннем коротком замыкании, вызванном дефектом производства или механическим повреждением, этот слой резко повышает сопротивление и блокирует быстрый путь разряда, снижая нагрев и риск возгорания. О результатах исследования, поддержанного грантом РНФ и опубликованного в Journal of Energy Storage, рассказал доктор химических наук, профессор кафедры электрохимии СПбГУ Олег Владиславович Левин.
Литий‑ионные аккумуляторы широко применяются в телефонах, ноутбуках, электромобилях и промышленной технике, однако при повреждении, перегреве, заводском браке или росте литиевых дендритов внутри ячейки может возникнуть внутреннее короткое замыкание. В заряженной батарее это приводит к быстрому выделению тепла, запуску побочных реакций с горючим электролитом и, в худшем случае, к воспламенению или взрыву. Внешняя электроника защиты не всегда может выявить такую аварию, поскольку она развивается внутри самой ячейки.
Разработанный в СПбГУ полимерный слой толщиной в десятки раз меньше человеческого волоса работает как внутренний пассивный «умный предохранитель». В обычном режиме он хорошо проводит ток, позволяя аккумулятору заряжаться и разряжаться без существенных ограничений. Но при резком падении напряжения, вызванном коротким замыканием, сопротивление слоя быстро и многократно возрастает, блокируя наиболее быстрый путь тока от катода к токосъемнику. Благодаря этому разряд замедляется, тепло успевает рассеиваться, и снижается риск теплового разгона.
«Материал принадлежит к достаточно хорошо известному классу проводящих полимеров. Они проводят ток только тогда, когда в них сформировались подвижные носители заряда, что происходит при частичном, но не полном окислении. Подбирая структуру лиганда, мы смогли добиться, чтобы частично окисленное состояние попадало в диапазон потенциалов работы катода литий‑ионного аккумулятора. Если из‑за внешних причин мы выходим за этот диапазон, полимер либо полностью восстанавливается, либо полностью окисляется и становится непроводящим, пока потенциал не вернется в норму», — рассказал О.В. Левин.
Эффективность разработки подтверждена экспериментально. Исследователи сконструировали аккумуляторные ячейки с защитным слоем и без него и провели стандартный жесткий тест: прокололи ячейку стальным гвоздем, создав условия короткого замыкания. Ячейка без защиты воспламенилась уже через 15 секунд, а температура ее корпуса достигла 350 °C. Аккумулятор с защитным слоем после прокола безопасно разряжался почти 15 минут, нагреваясь лишь до 75 °C, при этом все его внутренние компоненты остались целыми.
По словам ученого, сейчас основное внимание уделяется литий‑ионной технологии, поскольку она широко распространена и требует дополнительных решений по обеспечению безопасности. Для ряда других типов аккумуляторов такая защита менее актуальна: у свинцово‑кислотных и никель‑металлгидридных аккумуляторов риск возгорания ниже, а натрий‑ионные технологии пока недостаточно зрелы и еще не получили широкого распространения.
«Сейчас всех интересуют литий‑ионные аккумуляторы, потому что это развитая технология, а остальные типы либо не горят, либо еще развиваются. Мы работали с компанией „Ригель“, сейчас у нас новый промышленный партнер — „Промтехнолит“, который заинтересован в приобретении технологии и развивает производство в Петербурге», — отметил ученый. Дальнейшие шаги исследователей связаны с оптимизацией материала и конструкции защитного слоя для разных типов аккумуляторов и режимов работы, чтобы найти баланс между безопасностью и потерями мощности.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
