Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) разработали полимер, обладающий важным качеством: он способен предотвратить возгорание аккумулятора при замыкании. Новое соединение в стандартных условиях проводит электрический ток, однако при окислении или восстановлении переходит в другое химическое состояние и теряет эту способность. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Energy Materials.
Внутри каждого аккумулятора есть два электрода (элемента, проводящих ток) – катод и анод. Катод – положительно заряженный электрод – состоит из слоя смешанного оксида лития и переходных металлов, а анод (электрод отрицательного заряда) – из слоя углерода на медной фольге. Электроды разделяет пористый сепаратор, пропитанный электролитом – смесью органических растворителей и солей. В случае повреждения сепаратора материалы внутри батареи начинают взаимодействовать друг с другом, выделяя тепловую энергию, из-за чего аккумулятор за считанные секунды нагревается почти до 600 градусов Цельсия. Результатом может стать взрыв или возгорание.
Чтобы решить эту проблему, ученые СПбГУ создали полимерное соединение, которое представляет собой органические цепочки, содержащие атомы никеля. Авторы нанесли тонкий слой нового полимерного вещества между слоями алюминиевой фольги, проводящей электрический ток, и катодом. Это позволило исключить возможность возгорания или взрыва, поскольку полимерное вещество перестает проводить ток в электрической цепи в том случае, если аккумулятор заряжается от розетки с более высоким, чем положено, напряжением. Этот эффект также позволяет предотвратить короткое замыкание: полимер перестает проводить ток, когда аккумулятор разряжается ниже определенного предела.
Ученые провели стресс-тесты на 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 в 100%. При этом 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», – цитирует Российский научный фонд одного из авторов исследования, доктора химических наук Олега Левина.
Фото: © Российский научный фонд
Источник: Глобальная энергия
