Химики разработали технологию защиты литий-ионных аккумуляторов от возгорания

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.