В СПбГУ придумали, как сделать литий-ионные аккумуляторы безопаснее
Литий-ионные аккумуляторы — полезны, пока внутри них не начинается короткое замыкание, которое быстро превращает запасенную химическую энергию в тепло, газ и огонь.
Бороться с такими проблемами пытаются давно. Сначала делали ставку на более устойчивые материалы и механические предохранители, потом пришла эпоха умной электроники, которая не дает аккумулятору выйти в аварийный режим, но и она не всегда справляется. Самый известный пример — Samsung Galaxy Note 7: из-за серии возгораний смартфонов компании пришлось отозвать миллионы устройств, полностью прекратить выпуск модели и, по разным оценкам, потерять несколько миллиардов долларов.
Ученые из СПбГУ сделали и смоделировали защиту другого типа — не внешнюю, а встроенную прямо в аккумулятор. Между катодом и алюминиевым токосъемником они поместили тонкий слой проводящего полимера polyNiMeOSalen. В нормальном режиме он проводит ток, а при аварийном падении напряжения резко увеличивает сопротивление. То есть ведет себя как выключатель: пока всё хорошо — работает, когда начинается проблема — мешает току идти самым опасным путем.
Авторы уже описывали эту технологию в серии статей, как способ защитить аккумуляторы от менее серьёзных ЧП, а теперь решили разобраться, что будет в куда более экстремальном сценарии. Модель показывает, что слой блокирует самый быстрый путь разряда через токосъемник, из-за чего ток частично перераспределяется внутри катодного материала. Путь становится менее удобным, разряд медленнее, тепловыделение ниже. Для промышленной пакетной ячейки LiCoO₂/графит емкостью 3,2 А·ч расчет показал, что для безопасного внутреннего короткого замыкания при естественном охлаждении нужен защитный слой с сопротивлением порядка 0,1 Ом·м². Потом вместе с партнерами из АО «АК Ригель» это проверили стандартным способом — nail penetration test, то есть проколом ячейки стальным гвоздем. Незащищенная ячейка загорелась в первые секунды. Защищенная (с полимерным слоем) нагрелась умеренно, сохранила целостность.
Пока, это не значит, что «российские ученые создали абсолютно безопасный аккумулятор». Защитный слой добавляет сопротивление, за безопасность приходится платить частью мощности и эффективности, особенно на больших токах. Но как концепция внутренней пассивной защиты — результат важный: слой реагирует на состояние самой ячейки без датчиков и контроллеров.
Статья вышла в Journal of Energy Storage (IF=9.8). Работа поддержана РНФ.
Источник: «Зоопарк из слоновой кости»