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 нагревается почти до 600°С за секунды. 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, и поэтому аккумулятору нужна защита от возгорания.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) 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.
Научный сотрудник Е. В. Белецкий работает в боксе с инертной атмосферой. Источник: Олег Левин.
Авторы нанесли тонкий слой такого вещества между слоями алюминиевой проводящей электричество фольги и катодным веществом. В случае 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 со 100% эффективностью. 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.Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ
