Химический предохранитель. Российские ученые придумали как защитить литий-ионные аккумуляторы от возгорания
4 мин
...

Химический предохранитель. Российские ученые придумали как защитить литий-ионные аккумуляторы от возгорания

Ученые предлагают использовать для покрытия токоотвода батарей «химический предохранитель» - специальный защитный слой из проводящего полимера.

Химический предохранитель. Российские ученые придумали как защитить литий-ионные аккумуляторы от возгорания

Санкт-Петербург, 4 мар - ИА Neftegaz.RU. Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета разработали технологию, которая позволит защитить литий-ионные аккумуляторы от возгорания.

Об этом сообщила пресс-служба СПбГУ.

 

Исследование было поддержано грантом РНФ 19-19-00175.

Результаты опубликованы в Journal of Power Sources.

 

Ученые предлагают использовать для покрытия токоотвода батарей «химический предохранитель» - специальный защитный слой из проводящего полимера.

Если происходит нештатная ситуация, слой разрывает электрическую цепь, спасая устройство от возгорания.

Обычный аккумулятор в нештатной ситуации вздувается из-за выделения газов, а защищенный - остается плоским.

 

Руководитель группы ученых, профессор кафедры электрохимии СПбГУ О. Левин печально сообщил:

  • возгорание литий-ионных аккумуляторов - распространенная проблема, с которой сталкиваются владельцы самых разных устройств (в т.ч. смартфонов, электрокаров).
  • в 2013 - 2018 гг. только в США было зафиксировано 25 000 случаев возгорания батарей в различных устройствах.
  • в 1999 - 2013 гг. было только 1013 случаев.
  • логично, что число пожаров возрастает вместе с ростом количества использующихся аккумуляторов. 

Часто возгорания батарей происходят в результате перезаряда, короткого замыкания или других нештатных ситуаций.
Элемент питания начинает нагреваться и наступает так называемый тепловой разгон.
Когда температура достигает 70-90 оС, в аккумуляторе появляются нежелательные химические реакции, и уже они провоцируют дальнейший рост температуры.
По итогу случается либо возгорание, либо взрыв.
 

Для защиты аккумуляторов часто используется внешнее устройство - электронная микросхема, которая отслеживает все параметры аккумулятора или батареи и отключает ее в случае критической ситуации.
Но и схема может отказать (к примеру, из-за заводского дефекта) - и тогда аккумулятор все же взрывается или загорается. 

Поэтому петербургские ученые решили придумать химический способ защиты, за счет которого в случае необходимости определенные химические процессы внутри аккумулятора блокировали протекание тока.
Таким механизмом стал особый полимер, предложенный учеными.

Пояснения О. Левина:

Новый полимер:

  • электропроводность полимера меняется в зависимости от напряжения в аккумуляторе;
  • если батарея работает в штатном режиме - полимер прекрасно проводит ток;
  • 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
Существуют полимеры, меняющие свое сопротивление при нагреве;
  • проблема этой технологии, которую пытались внедрить в тч 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;
  • поэтому такой способ защиты нельзя назвать эффективным;
  • но подобные разработки стали толчком к поиску полимера, который меняет свое сопротивление еще до того, как батарея начала нагреваться.

Работа над созданием технологии с соавторами заняла около 2х лет:

  • аспирант кафедры электрохимии Е. Белецкий имел опыт разработки реальных систем защиты аккумуляторов и участвовал в экспериментальной части работы над полимером;
  • аспирант кафедры А. Федорова занималась расчетом физико-химических свойств материала.

За 6 лет до этого ученые начали фундаментальные исследования физико-химических свойств различных полимерных материалов.
В результате был обнаружен класс полимеров, сопротивление которых меняется в зависимости от напряжения.

Сложности в разработке химического предохранителя:

  • самое сложное -  поиск конкретного активного полимерного материала;
  • известно множество полимеров этого класса, но выбрать образец для создания прототипа, оказалось нелегко;
  • сложно было отработать технологию - создать полупромышленный образец, чтобы показать эффективность защиты. Пришлось отработать методики работы с компонентами литий-ионных аккумуляторов.  

Особенности технологии:

  • при создании литий-ионных аккумуляторов используются разные виды катодов - электрических проводников, к которым направлено движение электронов;
  • у них разное рабочее напряжение, и в каждом случае защитный полимер должен вести себя по-разному;
  • уже подобран полимер к 1 типу аккумуляторов - литий-железо-фосфатному;
  • ведется работа по изменению структуры полимера в надежде, что удастся сдвинуть окно проводимости, чтобы он подходил и к другим типам катодов, которые существуют на рынке;
  • есть идея сделать защиту более универсальной, добавив в полимер защиту, действующую при изменении температуры в аккумуляторе. Это позволит исключить все возможные причины возгорания.

Новую технологию легко масштабировать - применять можно как в малых, так и в больших аккумуляторах. 


Перед публикацией статьи СПбГУ получил патент на изобретение ученых.

Сейчас ученые создают полноразмерные макеты защищенных аккумуляторов для демонстрации потенциальным инвесторам. 

Автор: А. Шевченко, О. Бахтина

Источник : Neftegaz.RU


Подписывайтесь на канал Neftegaz.RU в Google News




Подпишитесь на общую рассылку

лучших материалов Neftegaz.RU

* Неверный адрес электронной почты

Нажимая кнопку «Подписаться» я принимаю «Соглашение об обработке персональных данных»