Літій-іонні акумулятори живлять величезну кількість пристроїв, від смартфонів і ноутбуків до електромобілів. Хоча ці батареї зручні, вони становлять небезпеку: якщо їх проколоти або зігнути, вони можуть спалахнути в результаті небезпечної ланцюгової реакції. Проте дослідники зробили значний прорив, продемонструвавши спосіб створення принципово безпечніших літій-іонних акумуляторів за допомогою напрочуд простої зміни – змінивши лише один матеріал у конструкції акумулятора. Це досягнення може призвести до масового виробництва більш безпечних батарей протягом наступних кількох років.
Розуміння ризику: термічна втеча
Літій-іонні батареї працюють за допомогою спеціальної конструкції: графітового електрода, електрода з оксиду металу та електроліту, що складається з солі літію, розчиненої в розчиннику. Цей рідкий електроліт пропускає іони літію, дозволяючи акумулятору заряджатися та розряджатися. Однак саме така конструкція робить їх вразливими. Якщо батарея пошкоджена – пробита або зігнута – виникає коротке замикання, і накопичена хімічна енергія може вивільнятися надзвичайно швидко. Таке швидке виділення енергії викликає процес, який називається «теплова втеча», що призводить до пожежі або навіть вибуху.
Сучасні рішення безпеки та новий підхід
Вчені вивчали різні стратегії зниження цього ризику. Деякі з них включають захисні гелі або твердотільні замінники рідкого електроліту. Однак команда з Університету Гонконгу розробила новий дизайн, який зберігає існуючу архітектуру батареї. Їхня ключова інновація полягає у зміні матеріалу електроліту при збереженні виробничих витрат і процесів відносно постійними.
Ключовий момент: ізоляція поганого хлопця – аніону
Основною причиною теплової розбіжності є руйнування хімічних зв’язків. Зокрема, негативно заряджені іони, звані аніонами, розривають свої зв’язки з літієм в акумуляторі. Цей розрив зв’язку виділяє тепло, прискорюючи руйнівний цикл.
Щоб запобігти цьому, дослідники ввели вторинний розчинник під назвою біс(фторсульфоніл)імід літію. Цей новий розчинник зв’язується з літієм тільки при вищих температурах, коли вже почалася термічна втеча. На відміну від звичайного розчинника, цей новий матеріал не дозволяє утворювати зв’язки з аніонами, ефективно відсікаючи джерело збільшення виділення тепла. Під час демонстрації батарея, у якій використовується цей новий розчинник, нагрілася лише на 3,5 °C, коли її проколювали цвяхом, на відміну від підвищення температури на 500 °C, яке спостерігається у звичайних батареях.
«Поганий хлопець — це аніон, який має високу енергію зв’язку — і саме розрив цих зв’язків спричиняє теплову втечу», — пояснює Гарі Лік з Бірмінгемського університету. «Цей новий підхід ізолює поганого хлопця від процесу є великим кроком вперед для безпеки батареї».
Ефективність і майбутні перспективи
Модифіковані батареї показали багатообіцяючу продуктивність. Випробування показали, що вони зберігають 82 відсотки своєї ємності після 4100 годин використання, що робить їх конкурентоспроможними з існуючими технологіями. Експерти передбачають, що цей інноваційний розчинник можна буде інтегрувати в акумулятори наступного покоління, проклавши шлях до масового виробництва протягом трьох-п’яти років. Це досягнення знаменує собою значний крок у напрямку безпечнішого та надійнішого зберігання енергії для широкого спектру застосувань. > Ця відносно проста зміна матеріалів обіцяє революцію в безпеці акумуляторів, мінімізуючи ризик пожежі та вибуху в повсякденних пристроях і електромобілях.
