Полимерный слой СПбГУ предотвращает тепловой разгон литий-ионных ячеек при внутреннем замыкании
Литий-ионные аккумуляторы применяются в телефонах, ноутбуках, электромобилях, медицинской и промышленной технике. Они обладают высокой энергоёмкостью и долгим сроком службы, однако при повреждении, перегреве, производственном дефекте или росте литиевых дендритов внутри ячейки может возникнуть внутреннее короткое замыкание. В заряженной батарее при этом быстро выделяется тепло, запускаются побочные реакции с участием электродных материалов и горючего органического электролита, образуются газы, и при неблагоприятном развитии событий аккумулятор может загореться или взорваться. Внешняя электроника защиты может не успеть сработать, поскольку авария развивается внутри самой ячейки.
Принцип действия разработки состоит в следующем: тонкий полимерный слой располагается между энергозапасающим материалом положительного электрода и токосъёмником. В обычном режиме он хорошо проводит ток, поэтому аккумулятор заряжается и разряжается без ограничений. Если возникает внутреннее короткое замыкание и напряжение резко падает, сопротивление полимера быстро и сильно увеличивается. Таким образом, слой работает как «умный предохранитель», блокируя прохождение тока и защищая батарею не только от потенциального взрыва, но и от любого перегрева.
Компьютерное моделирование показало, что созданный полимер перекрывает наиболее быстрый путь тока от катода к токосъёмнику, из-за чего ток частично перераспределяется внутри катодного материала. Разряд замедляется, а тепло успевает рассеиваться без перехода к тепловому разгону.
Исследователи сконструировали ячейки с защитным слоем и без него. Образцы проверили стандартным жёстким тестом: ячейку прокололи стальным гвоздём, создав условия короткого замыкания. Ячейка без защиты воспламенилась уже через 15 секунд после повреждения, а температура на её корпусе достигала 350 °C. Аккумулятор с защитным слоем после прокола безопасно разряжался почти 15 минут, нагреваясь лишь до 75 °C, при этом все внутренние компоненты остались целыми.
Следующим шагом станет оптимизация материала и конструкции слоя для разных типов аккумуляторов и режимов работы, чтобы найти баланс между безопасностью и потерями мощности. Новая работа завершает важный этап серии исследований: в 2021 году группа предложила защитный слой как «химический предохранитель» и опубликовала модель его работы при перезаряде, затем подход проверили при коротком замыкании и на высоковольтных катодах в лабораторных условиях. Теперь показано, что тот же принцип работает в наиболее трудном сценарии — при внутреннем замыкании промышленной литий-кобальтовой ячейки.
Интеграция таких защитных элементов в серийные изделия предъявляет требования к производственным процессам. Контроль нанесения паяльной пасты и инспекция печатных плат перед монтажом обеспечивают качество сборки блоков питания, а функциональный контроль позволяет проверять работоспособность схем защиты после интеграции полимерного слоя.
По материалам: https://www.rlocman.ru