Ученые обнаружили, что слой полимера, нанесенный между слоями фольги и катодного вещества в литий-ионном аккумуляторе, позволяет предотвратить его возгорание или взрыв. 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.
Аккумулятор без защитного слоя / © Олег Левин
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 нагревается почти до 600 градусов 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.
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 пяти Вольт (напряжение зарядного устройства для смартфонов), защита срабатывала со 100-стопроцентой эффективностью. Кроме того, полимерный слой практически не повлиял на емкость и производительность аккумулятора, снизив их не более чем на 10 процентов.
«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.
