Разработка может повысить безопасность аккумуляторов для электромобилей, бытовой электроники, медицинской и промышленной техники, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.
Литий-ионные аккумуляторы используются в телефонах, ноутбуках, электромобилях, медицинской и промышленной технике. Они обладают высокой энергоемкостью и долгим сроком службы, но при повреждении, перегреве, производственном дефекте или росте литиевых дендритов (древовидных кристаллов) внутри ячейки может возникнуть внутреннее короткое замыкание. В заряженной батарее при этом быстро выделяется тепло, запускаются побочные реакции с участием электродных материалов и горючего органического электролита, образуются газы, а при неблагоприятном развитии событий аккумулятор может загореться или взорваться. Защититься от такого сценария сложно: внешняя электроника защиты может не успеть сработать, поскольку авария развивается внутри самой ячейки.
Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) с коллегами из Аккумуляторной компании «Ригель» (Санкт-Петербург) разработали тонкий (в десятки раз тоньше человеческого волоса) полимерный слой, который работает как внутренний пассивный элемент защиты.
Защитный слой располагают между энергозапасающим материалом положительного электрода и токосъемником. В обычном режиме он хорошо проводит ток, поэтому аккумулятор может заряжаться и разряжаться. Но, как только возникает внутреннее короткое замыкание и напряжение резко падает, сопротивление полимера сильно увеличивается. Таким образом, он работает как «умный предохранитель», блокируя прохождение тока и защищая батарею от перегрева.
Компьютерное моделирование показало, что полимер перекрывает наиболее быстрый путь тока от катода к токосъемнику, из-за чего ток частично перераспределяется внутри катодного материала. Разряд становится медленнее, а тепло успевает рассеиваться без перехода к тепловому разгону.
Исследователи сконструировали аккумуляторные ячейки с защитным слоем и без него, чтобы оценить эффективность разработки. Образцы проверили на безопасность, использовав стандартный жесткий тест — прокол ячейки стальным гвоздем, тем самым создав условия короткого замыкания. Ячейка без защиты воспламенялась уже через 15 секунд после повреждения, а температура на ее корпусе достигала 350°C. Аккумулятор с защитным слоем после прокола безопасно разряжался почти 15 минут, нагреваясь лишь до 75°C. При этом все его внутренние компоненты остались целыми из-за отсутствия перегрева.
Расчеты также показали, какое нужно подобрать сопротивление слоя для конкретной ячейки, а также как слой влияет на эффективность аккумулятора в обычном режиме, особенно при больших токах. Следующая практическая задача, которую предстоит решить ученым, состоит в том, чтобы подобрать материал слоя и его толщину так, чтобы в штатном режиме потери были минимальными, а при аварии сопротивление возрастало достаточно сильно.
«Разработанный нами защитный слой не требует датчиков, управляющей электроники или внешнего отключения: он реагирует на изменение электрического состояния самой аккумуляторной ячейки. Это важно для внутренних коротких замыканий, потому что они могут развиваться быстрее, чем успевает сработать внешняя система защиты или защитные элементы, откликающиеся на повышение температуры. В этой работе мы не только показали защитный эффект на промышленной ячейке, но и объяснили, как он возникает при проколе, когда металлический предмет напрямую касается электродов. Следующий шаг — оптимизировать материал и конструкцию слоя для разных типов аккумуляторов и режимов работы, чтобы найти баланс между безопасностью и потерями мощности», — рассказал руководитель проекта Олег Левин, доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник кафедры электрохимии Института химии СПбГУ.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в Journal of Energy Storage.
Новая работа завершает важный этап серии исследований защитных слоев. В 2021 году группа предложила защитный слой как «химический предохранитель» для литий-ионных аккумуляторов и опубликовала модель его работы при перезаряде. В последующих работах авторы проверили подход при коротком замыкании и на высоковольтных катодах в лабораторных условиях. Теперь исследователи показали, что тот же принцип может работать и в наиболее трудном сценарии — при внутреннем коротком замыкании промышленной литий-кобальтовой ячейки, когда металлический предмет напрямую контактирует с электродами.
