«Химический предохранитель» защищает литий-ионные аккумуляторы от возгорания

Возгорание литий-ионных аккумуляторов — распространенная проблема, с которой сталкиваются владельцы самых разных устройств — от смартфонов до электромобилей. По словам руководителя группы ученых, профессора кафедры электрохимии СПбГУ Олега Левина, за период с 2013-го по 2018-й год только в США было зафиксировано 25 000 случаев возгорания батарей в различных устройствах (при этом ранее, с 1999-го по 2013-й год, было всего 1013 случаев). Основными причинами возгорания являются перезаряд, короткое замыкание или другие нештатные ситуации, в результате чего элемент питания начинает нагреваться и наступает так называемый тепловой разгон. Когда температура достигает 70–90°С, в аккумуляторе возникают нежелательные химические реакции, провоцирующие дальнейший рост температуры, который и заканчивается появлением пламени или взрывом. Для защиты аккумуляторов обычно используется внешнее устройство — электронная микросхема, которая отслеживает параметры аккумулятора или батареи и отключает ее в случае критической ситуации. Однако зачастую возгорания происходят именно из-за того, что электронные схемы отказывают, например, из-за заводского дефекта.

«Разработанный нами механизм защиты позволяет блокировать протекание тока с помощью определенных химических процессов внутри аккумулятора, — объясняет Олег Левин, – Электропроводность полимера меняется в зависимости от напряжения: если батарея работает в штатном режиме, полимер 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».

Существующие сегодня полимеры способны менять свое сопротивление при нагреве, однако сложность их использования заключается в том, что, если такой полимер срабатывает, значит, батарея уже начала нагреваться и в ней идут нежелательные процессы, которые не всегда можно остановить, просто разомкнув цепь. Такой способ защиты нельзя назвать эффективным, поэтому ученые решили найти полимер, который мог бы менять свое сопротивление до того, как батарея начала нагреваться.

В течение шести лет химики СПбГУ проводили фундаментальные исследования физико-химических свойств различных полимерных материалов, еще два года ушло на создание технологии, важной особенностью которой является простота 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.

«В настоящий момент мы подобрали полимер только к одному типу аккумуляторов — литий-железо-фосфатному. Если изменить структуру полимера, мы сможем сдвинуть окно проводимости, чтобы он подходил и к другим типам катодов. 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», — уверен Олег Левин.