Новый полимерный материал защитит литий-ионные батареи от взрывов и возгораний

Литий‑ионные аккумуляторы используются в любой технике, где важна способность долго держать заряд – мобильных телефонах, электромобилях, компьютерах. Внутри такого аккумулятора есть два 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. Эти электроды разделяет тонкий слой – пористый сепаратор, пропитанный электролитом (смесью органических растворителей и солей). Если сепаратор повреждается, например, из-за нагрева, материалы внутри батареи начинают реагировать друг с другом и разлагаться. Такие реакции происходят с выделением тепла, из‑за чего батарея быстро нагревается почти до 600 °С.

Наиболее частая причина нагрева, вызывающего возгорание – короткое замыкание, например, из-за внешних повреждений. Также, со временем в аккумуляторах могут появляться литиевые дендриты – тонкие усики лития, которые могут замкнуть устройство. Ни один производитель не гарантирует, что замыкания не произойдет, поэтому аккумулятору нужна защита от возгорания.

Ученые СПбГУ 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.

Специалисты нанесли тонкий слой такого вещества между слоями проводящей электричество алюминиевой фольги и катодным веществом. В случае с обычным аккумулятором, если напряжение в цепи увеличивается, 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 с эффективностью 100 %. 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, профессор кафедры электрохимии СПбГУ Олег Левин.

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале ACS Applied Energy Materials.