Химики 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 разработали технологию защиты литий-ионных аккумуляторов от возгорания

?

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в?Journal of?Power Sources.

По?словам руководителя группы ученых, профессора кафедры электрохимии 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 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.

Руководитель группы ученых, профессор кафедры электрохимии 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 Олег Левин

?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.

В?России за?2022 год освоили производство более тысячи продуктов электроники

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.

Профессор кафедры электрохимии 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 Олег Левин

?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.

Перед публикацией статьи 188bet体育_188bet亚洲体育_点此进入 получил патент на?изобретение его ученых. В?настоящее время авторы исследования готовят в?лаборатории полноразмерные макеты защищенных аккумуляторов для демонстрации потенциальным инвесторам.?Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 19-19-00175.