Литий-ионные аккумуляторы питают огромный спектр устройств, от смартфонов и ноутбуков до электромобилей. Хотя они и удобны, эти аккумуляторы представляют опасность: при проколе или изгибе они могут воспламениться в опасной цепной реакции. Однако исследователи добились значительного прорыва, продемонстрировав способ создания принципиально более безопасных литий-ионных аккумуляторов с помощью удивительно простого изменения — замены всего лишь одного материала в конструкции аккумулятора. Это достижение может привести к массовому производству более безопасных аккумуляторов в течение следующих нескольких лет.
Понимание риска: тепловой разгон
Литий-ионные аккумуляторы функционируют по определенной конструкции: графитовый электрод, металлоокисный электрод и электролит, состоящий из литиевой соли, растворенной в растворителе. Этот жидкий электролит позволяет ионам лития течь, что позволяет аккумулятору заряжаться и разряжаться. Однако именно эта конструкция делает их уязвимыми. Если аккумулятор поврежден — проколот или согнут — возникает короткое замыкание, и запасенная химическая энергия может быть высвобождена чрезвычайно быстро. Этот быстрый выброс энергии запускает процесс, называемый «тепловым разгоном», который приводит к пожару или даже взрыву.
Современные решения для обеспечения безопасности и новый подход
Ученые изучали различные стратегии для снижения этого риска. Некоторые из них включают защитные гели или твердотельные заменители жидкого электролита. Однако команда Гонконгского университета разработала новую конструкцию, которая сохраняет существующую архитектуру аккумулятора. Их ключевое инновационное решение заключается в замене материала электролита, сохраняя при этом относительно неизменными производственные затраты и технологические процессы.
Ключевой момент: изоляция «плохого парня» — аниона
Коренным образом причиной теплового разгона является разрушение химических связей. В частности, отрицательно заряженные ионы, называемые анионами, разрывают свои связи с литием в аккумуляторе. Этот разрыв связи высвобождает тепло, ускоряя разрушительный цикл.
Чтобы предотвратить это, исследователи ввели вторичный растворитель под названием литий бис(фторсульфонил)имид. Этот новый растворитель связывается с литием только при более высоких температурах, а именно когда тепловой разгон уже начинается. В отличие от обычного растворителя, этот новый материал не позволяет образовывать связи с анионами, эффективно отсекая источник растущего высвобождения тепла. В ходе демонстрации аккумулятор, использующий этот новый растворитель, нагрелся всего на 3,5°C, когда был проколот гвоздем, в резком контрасте с повышением температуры на 500°C, наблюдаемым в обычных аккумуляторах.
«Плохим парнем является анион, который имеет большую энергию связи — и именно разрыв этих связей вызывает тепловой разгон», — объясняет Гэри Лик из Университета Бирмингема. «Этот новый подход изолирует плохого парня от этого процесса — это большой шаг вперед в плане безопасности аккумуляторов».
Производительность и перспективы на будущее
Модифицированные аккумуляторы показали многообещающую производительность. Тесты показали, что они сохраняют 82 процента своей емкости после 4100 часов использования, что делает их конкурентоспособными по сравнению с существующими технологиями. Эксперты прогнозируют, что этот инновационный растворитель можно интегрировать в следующее поколение аккумуляторов, открывая путь к массовому производству в течение трех-пяти лет. Это достижение знаменует собой значительный шаг к более безопасному и надежному хранению энергии для широкого спектра приложений. > Это относительно простое изменение материалов обещает революционизировать безопасность аккумуляторов, сводя к минимуму риск пожаров и взрывов в повседневных устройствах и электромобилях.
