Специалисты из Санкт-Петербургского государственного университета создали тонкий полимерный слой, предназначенный для использования в качестве внутреннего пассивного средства защиты литий-ионных аккумуляторов. В случае возникновения внутреннего короткого замыкания – будь то дефект производства или механическое повреждение – этот слой значительно увеличивает электрическое сопротивление и прерывает путь быстрого разряда, что позволяет уменьшить нагрев и вероятность возгорания. О результатах проведенного исследования, которое было поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликовано в журнале Journal of Energy Storage, сообщил доктор химических наук, профессор кафедры электрохимии СПбГУ Олег Владиславович Левин.

Литий-ионные аккумуляторы получили широкое распространение в различных устройствах, включая мобильные телефоны, ноутбуки, электромобили и промышленное оборудование. Однако повреждения, перегрев, производственные дефекты или образование литиевых дендритов внутри аккумуляторной ячейки могут привести к внутреннему короткому замыканию. В полностью заряженном состоянии это вызывает быстрое повышение температуры, запуск нежелательных химических реакций с участием горючего электролита и, в наиболее серьезных случаях, воспламенение или взрыв. Система внешней защиты аккумулятора не всегда способна обнаружить подобную проблему, поскольку она возникает внутри самой ячейки.

Разработанный учеными СПбГУ полимерный слой, толщина которого значительно меньше диаметра человеческого волоса, функционирует как внутренний пассивный «умный предохранитель». В нормальных условиях он обеспечивает эффективное протекание электрического тока, позволяя аккумулятору заряжаться и разряжаться без существенных ограничений. Однако при резком снижении напряжения, вызванном коротким замыканием, сопротивление слоя резко возрастает, блокируя наиболее короткий путь для тока между катодом и токосъемником. Это приводит к замедлению процесса разряда, рассеиванию тепла и уменьшению риска теплового разгона.

«Разработанный материал относится к хорошо изученному классу проводящих полимеров. Они проводят электрический ток только при наличии подвижных носителей заряда, которые формируются в результате частичного окисления. Подбирая структуру лиганда, мы смогли обеспечить попадание частично окисленного состояния в диапазон рабочих потенциалов катода литий-ионного аккумулятора. Если по каким-либо внешним причинам происходит выход за пределы этого диапазона, полимер либо полностью восстанавливается, либо полностью окисляется и теряет способность проводить ток до тех пор, пока потенциал не вернется к исходному значению», — пояснил О.В. Левин.

Экспериментальные данные подтверждают высокую эффективность разработанной технологии. В ходе испытаний исследователи сравнили аккумуляторные ячейки, оснащенные защитным слоем, и контрольную группу без защиты, подвергнув их воздействию короткого замыкания путем прокола стальным гвоздем. Беззащитная ячейка воспламенилась всего за 15 секунд, при этом температура ее корпуса достигла критической отметки в 350 градусов Цельсия. В то же время, аккумулятор с защитным слоем после аналогичного воздействия безопасно разряжался на протяжении почти 15 минут, нагреваясь лишь до 75 °C, и сохранил целостность всех своих внутренних элементов.

По мнению специалиста, в настоящее время приоритетное внимание уделяется литий-ионным аккумуляторам, учитывая их широкое распространение и необходимость разработки дополнительных мер по повышению безопасности. Для других типов аккумуляторных батарей, таких как свинцово-кислотные и никель-металлгидридные, риск возгорания значительно ниже, а натрий-ионные технологии пока не достигли достаточного уровня зрелости и не получили широкого применения.

«В настоящее время основное внимание уделяется литий-ионным аккумуляторам, поскольку это наиболее развитая технология, в то время как другие типы либо менее склонны к возгоранию, либо находятся на стадии разработки», – заявил ученый. Он также сообщил о сотрудничестве с компанией «Ригель» и новом промышленном партнере – «Промтехнолит», который проявляет интерес к приобретению технологии и планирует развивать ее производство в Санкт-Петербурге. В дальнейшем исследователи намерены сосредоточиться на оптимизации материала и конструкции защитного слоя для различных типов аккумуляторов и условий эксплуатации, чтобы добиться оптимального баланса между безопасностью и эффективностью передачи энергии.

Материал подготовлен при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации