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 и спасает литий‑ионные аккумуляторы от перегрева и возгорания.
Как сообщила пресс-служба РНФ порталу Наука Mail, его ставят внутри батареи между активным материалом и алюминиевой фольгой, которая помогает отводить ток. Если в аккумуляторе случается сбой, сопротивление этого слоя резко растет: он перекрывает самый быстрый путь для тока, из‑за чего тепло выделяется медленнее. Благодаря этому батарея не загорится даже при повреждении. Такая разработка сделает безопаснее аккумуляторы в электромобилях, телефонах, медицинских и промышленных приборах. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Energy Storage.
Работу слоя проверили на практике: ячейки прокалывали стальным гвоздем, чтобы вызвать замыкание. Без защиты батарея загоралась уже через 15 секунд, нагреваясь до 350°C. С защитным слоем она спокойно разряжалась почти 15 минут и прогревалась лишь до 75°C, а ее детали не повреждались. Компьютерные расчеты помогли объяснить, каким должно быть сопротивление слоя и как он влияет на работу аккумулятора при больших нагрузках. Теперь ученым нужно подобрать материал и толщину слоя так, чтобы в обычной работе потерь было минимум, а в аварийной ситуации защита срабатывала максимально надежно.
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.
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.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что из пластиковых бутылок предложено делать аккумуляторы.