Химики СПбГУ разработали технологию защиты литий-ионных аккумуляторов от возгорания
Они предлагают использовать для покрытия токоотвода батарей «химический предохранитель» — специальный защитный слой из проводящего полимера
Группа ученых Санкт-Петербургского государственного университета создала новую технологию защиты литий-ионных аккумуляторов от возгорания. Они предлагают использовать для покрытия токоотвода батарей «химический предохранитель» — специальный защитный слой из проводящего полимера. В случае внештатной ситуации он разрывает электрическую цепь, спасая устройство от возгорания. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в Journal of Power Sources.
По словам руководителя группы ученых, профессора кафедры электрохимии СПбГУ Олега Левина, возгорание литий-ионных аккумуляторов — распространенная проблема, с которой сталкиваются владельцы самых разных устройств — от смартфонов до электромобилей. «За период с 2013 по 2018 год в одних только Соединенных Штатах Америки было зафиксировано 25 000 случаев возгорания батарей в различных устройствах. При этом ранее, с 1999 по 2013 год, было всего 1013 случаев. Таким образом, число пожаров возрастает вместе с количеством использующихся аккумуляторов», — отмечает он.
Основными причинами возгорания батарей являются перезаряд, короткое замыкание, или другие нештатные ситуации. В результате элемент питания начинает нагреваться и наступает так называемый тепловой разгон. Когда температура достигает 70–90 градусов, в аккумуляторе возникают нежелательные химические реакции, которые провоцируют дальнейший рост температуры, заканчивающийся в крайнем случае появлением пламени или взрывом.
Для защиты аккумуляторов обычно используется внешнее устройство — электронная микросхема. Эта схема отслеживает все параметры аккумулятора или батареи и отключает ее в случае критической ситуации. Однако в большинстве случаев возгорания произошли из-за того, что электронные схемы отказывали, например, из-за заводского дефекта.
«Именно поэтому важно было придумать механизм защиты, который бы работал на химических принципах — чтобы в случае необходимости определенные химические процессы внутри аккумулятора блокировали протекание тока. Таким механизмом стал особый полимер, предложенный нами. Его электропроводность меняется в зависимости от напряжения в аккумуляторе. Если батарея работает в штатном режиме — полимер прекрасно проводит ток. Но если аккумулятор заряжается слишком сильно, полимер становится почти изолятором. Аналогичным образом он действует, если происходит короткое замыкание и напряжение в батарее падает ниже номинальных пределов», — объясняет Олег Левин.
По словам ученого, существуют полимеры, меняющие свое сопротивление при нагреве. Проблема этой технологии, которую пытались внедрить в том числе на петербургских предприятиях, заключается в том, что, если этот полимер срабатывает — значит, батарея уже начала нагреваться и в ней идут нежелательные процессы, которые не всегда можно остановить, просто разомкнув цепь. Именно поэтому такой способ защиты нельзя назвать эффективным. Однако подобные разработки стали толчком к поиску полимера, который меняет свое сопротивление еще до того, как батарея начала нагреваться.
«Мой соавтор исследования, аспирант кафедры электрохимии Евгений Белецкий в прошлом работал в промышленности. Его опыт разработки реальных систем защиты аккумуляторов очень пригодился в экспериментальной части работы над полимером. Еще один аспирант кафедры — Анна Федорова, у которой также есть опыт работы в промышленности, занималась расчетом физико-химических свойств материала», — рассказывает Олег Левин.
Работа над созданием технологии заняла около двух лет. До этого на протяжении шести лет ученые проводили фундаментальные исследования физико-химических свойств различных полимерных материалов. В результате был обнаружен класс полимеров, сопротивление которых меняется в зависимости от напряжения. Именно на них и сосредоточились ученые.
«Самым сложным в разработке «химического предохранителя» стал поиск конкретного активного полимерного материала. Мы знали множество полимеров этого класса, но выбрать тот, который был бы пригоден не только в качестве идеи, но и при создании прототипа, оказалось не так легко, — отмечает Олег Левин. — Кроме этого нужно было отработать технологию — создать полупромышленный образец, чтобы показать, что наша защита эффективна. Это потребовало закупки большого количества нового оборудования для прототипирования и отработки методик работы с компонентами литий-ионных аккумуляторов».
Важной особенностью новой технологии защиты является простота ее масштабируемости. Для примера — размеры традиционных внешних защитных схем зависят от мощности батареи. Соответственно, схема для тягового аккумулятора электромобиля будет не только большой, но и дорогой. Масштабировать «химический предохранитель» гораздо проще — его слой наносится по всей поверхности внутреннего токоотвода.
«При создании литий-ионных аккумуляторов используются разные виды катодов — электрических проводников, к которым направлено движение электронов. У них разное рабочее напряжение, и, соответственно, в каждом случае защитный полимер должен вести себя по-разному. В настоящий момент мы подобрали полимер только к одному типу аккумуляторов — литий-железо-фосфатному. Если изменить структуру полимера, есть надежда, что мы сможем сдвинуть окно проводимости, чтобы он подходил и к другим типам катодов, которые существуют на рынке. Кроме того, есть идея сделать защиту более универсальной, добавив в полимер защиту, действующую при изменении температуры в аккумуляторе. Это позволит исключить все возможные причины возгорания», — говорит Олег Левин.
Перед публикацией статьи СПбГУ получил патент на изобретение его ученых. В настоящее время авторы исследования готовят в лаборатории полноразмерные макеты защищенных аккумуляторов для демонстрации потенциальным инвесторам. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 19-19-00175.