Ученые Санкт-Петербургского государственного университета обнаружили, что слой полимера, нанесенный между слоями фольги и катодного вещества в литий-ионном аккумуляторе, позволяет предотвратить его возгорание или взрыв.
Аккумулятор с защитным слоем. Источник: Олег Левин
Предложенный авторами полимер проводит электричество, но, как только напряжение становится выше, чем то, на которое рассчитан аккумулятор, соединение окисляется и перестает проводить ток. Благодаря этому аккумулятор, использующийся в смартфонах и электромобилях, не перегревается и абсолютно не способен самовозгораться. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале ACS Applied Energy Materials.
Литий-ионные аккумуляторы сегодня используются почти везде: в мобильных телефонах, электромобилях, компьютерах — любой технике, где важна способность долго держать заряд. Внутри аккумулятора есть два электрода (элемента, проводящих ток) — катод и анод. Катод состоит из слоя смешанного оксида лития и переходных металлов, нанесенных на алюминиевую фольгу, а анод — из слоя углерода на медной фольге. Электроды разделяет пористый сепаратор, пропитанный электролитом (смесью органических растворителей и солей). Если из-за нагрева или другого воздействия повреждается тонкий разделительный слой (сепаратор), материалы внутри батареи начинают реагировать друг с другом и разлагаться. Такие реакции происходят с выделением тепла, из-за чего батарея за секунды нагревается почти до 600 °C. В России в месяц происходит около 10 случаев возгорания или взрывов аккумуляторов смартфонов. Наиболее частая причина первичного нагрева, вызывающего возгорание, — короткое замыкание, которое может произойти, например, в результате внешних повреждений. Кроме того, при использовании в холодных условиях или при высоких токах заряда-разряда в аккумуляторах могут появляться литиевые дендриты — тонкие усики лития, которые могут замкнуть устройство. Ни один производитель не гарантирует, что замыкания не произойдет, поэтому аккумулятору нужна защита от возгорания.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета разработали полимер, способный предотвратить возгорание аккумулятора при замыкании. Это соединение представляет собой органические цепочки, содержащие атомы никеля. В стандартных условиях полимер проводит электрический ток, но при окислении или восстановлении переходит в другое химическое состояние и теряет эту способность.
Авторы нанесли тонкий слой такого вещества между слоями проводящей электричество алюминиевой фольги и катодным веществом. В случае использования обычного аккумулятора, если напряжение в цепи увеличивается (это может случиться, когда, например, устройство заряжается с большим напряжением от розетки, чем положено), то без защиты аккумулятор вздувается, разрушается и может даже загореться. В аккумуляторе с нанесенным слоем полимера в таком случае цепь сразу разомкнется — при чрезмерном напряжении вещество перестает проводить ток, а значит, риски возгорания и взрыва исключены. То же самое происходит при коротком замыкании: полимер перестает проводить ток, когда аккумулятор разряжается ниже определенного предела. Благодаря такой методике можно гарантировать защиту от самовозгорания.
Ученые провели стресс-тесты на аккумуляторах-монетах — маленьких батареях размером с монету, которые используются в умных часах. Проверка показала, что, если напряжение выходило за пределы диапазона от 2,8 вольт (при этих значениях останавливается разрядка аккумуляторов) до 5 вольт (напряжение зарядного устройства для смартфонов), защита срабатывала с эффективностью 100%. Кроме того, полимерный слой практически не повлиял на емкость и производительность аккумулятора, снизив их не более чем на 10%.
«Сейчас мы стремимся масштабировать производство литий-ионных аккумуляторов с нашим полимерным слоем, есть переговоры с инвесторами. Пока что мы провели стресс-тесты только на маленьких аккумуляторах, но в будущем мы планируем проверить нашу технологию на большом (используемом, например, для телефона) и после этого запустить серийное производство новых безопасных аккумуляторов», — рассказал исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Олег Левин, доктор химических наук, профессор кафедры электрохимии Санкт-Петербургского государственного университета.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ