Учёные из Санкт-Петербургского государственного университета разработали надёжную защиту от возгорания и взрыва для самых популярных в мире аккумуляторов – литий-ионных. Они создали своего рода химический предохранитель – слой специального полимера, который размыкает электрическую цепь в случае возникновения опасной ситуации.
Литий-ионные аккумуляторы сегодня обеспечивают работу самых разных устройств, от гаджетов до огромных "складов энергии", оптимизирующих электроснабжение целых регионов. Недаром за их разработку была присуждена Нобелевская премия по химии 2019 года.
Однако у этого самого популярного в мире типа батарей есть недостаток. В случае перезаряда, короткого замыкания и некоторых других неприятностей аккумулятор может перегреться. Тогда в нём начинают происходить нежелательные химические реакции, которые невозможно остановить просто выключением устройства из розетки.
Сами эти реакции становятся новым источником тепла, аккумулятор раздувается от выделившихся газов и может загореться, став причиной пожара, или взорваться, что уже приводило к гибели людей.
Сегодня устройства, питающихся от литий-ионных аккумуляторов, снабжаются микросхемами, отключающими батарею при первых признаках опасности. Однако иногда эти системы выходят из строя, и это может привести к беде.
"За период с 2013 по 2018 год в одних только Соединённых Штатах Америки было зафиксировано 25 тысяч 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", – рассказывает глава исследовательской группы Олег Левин.
Заповедь инженера гласит: чем больше в устройстве деталей, тем больше вероятность, что какая-нибудь из них сломается. Самые надёжные системы – самые простые (что отнюдь не значит, что их просто изобрести).
Поэтому российские специалисты радикально упростили схему защиты батареи. Это не микросхема, а всего один слой особого вещества, нанесённый на внутреннюю поверхность нужной части аккумулятора.
"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 Левин.
Таким образом, при нештатной работе устройства проводник становится изолятором. То есть он размыкает цепь и отключает аккумулятор. Что особенно приятно, это обратимый процесс, так что при следующем включении спасённая батарея будет работать как надо.
Исследователи подчёркивают, что этот своеобразный предохранитель реагирует на изменение напряжения, а не температуры. Поэтому он размыкает цепь до того, как аккумулятор начнёт перегреваться и события примут опасный оборот.
Отыскать подобное вещество было непросто. Понадобилось шесть лет фундаментальных физико-химических исследований, чтобы обнаружить нужный класс полимеров. Ещё два года ушло на выбор лучшего представителя из этого класса и доведение технологии до работающего прототипа. Зато теперь разработка учёных из Санкт-Петербурга запатентована и практически готова к внедрению.
Правда, пока новинка работает только в аккумуляторах с железно-фосфатным катодом, а это лишь один из видов литий-ионных батарей, присутствующих на рынке. У систем с другими катодами иное рабочее напряжение, так что для них придётся менять структуру полимера. Однако со временем разработчики надеются приспособить новую технологию ко всем существующим типам литий-ионных аккумуляторов.
Научная статья с результатами исследования опубликована в издании Journal of Power Sources. Работа была поддержана грантом Российского научного фонда.
К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о первой конкурентоспособной натрий-ионной батарее. Писали мы и о перспективных литиево-воздушных батареях.
