Химики СПбГУ придумали, как защитить литий-ионные аккумуляторы от возгорания

Группа ученых Санкт-Петербургского университета создала новую технологию защиты литий-ионных аккумуляторов от возгорания, сообщает пресс-служба вуза. Они предлагают использовать для покрытия токоотвода батарей «химический предохранитель» — специальный защитный слой из проводящего полимера. В случае внештатной ситуации он разрывает электрическую цепь, спасая устройство от возгорания.

Химики СПбГУ придумали, как защитить литий-ионные аккумуляторы от возгорания | Прототипы защищенного и обычного аккумулятора после перезаряда. Обычный аккумулятор вздулся, защищенный остался плоским / Фото предоставлено пресс-службой СПбГУ

Прототипы защищенного и обычного аккумулятора после перезаряда. Обычный аккумулятор вздулся, защищенный остался плоским / Фото предоставлено пресс-службой СПбГУ

По словам руководителя группы ученых, профессора кафедры электрохимии СПбГУ Олега Левина, возгорание литий-ионных аккумуляторов — распространенная проблема, с которой сталкиваются владельцы самых разных устройств — от смартфонов до электромобилей. «За период с 2013 по 2018 год в одних только Соединенных Штатах Америки было зафиксировано 25 000 случаев возгорания батарей в различных устройствах. При этом ранее, с 1999 по 2013 год, было всего 1013 случаев. Таким образом, число пожаров возрастает вместе с количеством использующихся аккумуляторов», — отмечает он.

Основными причинами возгорания батарей являются перезаряд, короткое замыкание, или другие нештатные ситуации. В результате элемент питания начинает нагреваться и наступает так называемый тепловой разгон. Когда температура достигает 70–90 градусов, в аккумуляторе возникают нежелательные химические реакции, которые провоцируют дальнейший рост температуры, заканчивающийся в крайнем случае появлением пламени или взрывом. Для защиты аккумуляторов обычно используется внешнее устройство — электронная микросхема. Эта схема отслеживает все параметры аккумулятора или батареи и отключает ее в случае критической ситуации. Однако в большинстве случаев возгорания произошли из-за того, что электронные схемы отказывали, например, из-за заводского дефекта.

«Его электропроводность меняется в зависимости от напряжения в аккумуляторе. Если батарея работает в штатном режиме — полимер прекрасно проводит ток. Но 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», — объясняет Олег Левин.

По словам ученого, существуют полимеры, меняющие свое сопротивление при нагреве. Проблема этой технологии, которую пытались внедрить в том числе 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. Именно поэтому такой способ защиты нельзя назвать эффективным. Однако подобные разработки стали толчком к поиску полимера, который меняет свое сопротивление еще до того, как батарея начала нагреваться.

«Еще один аспирант кафедры — Анна Федорова, у которой также есть опыт работы в промышленности, занималась расчетом физико-химических свойств материала», — рассказывает Олег Левин.

Работа над созданием технологии заняла около двух лет. До этого на протяжении шести лет ученые проводили фундаментальные исследования физико-химических свойств различных полимерных материалов. В результате был обнаружен класс полимеров, сопротивление которых меняется в зависимости от напряжения. Именно на них и сосредоточились ученые.

«Самым сложным в разработке «химического предохранителя» стал поиск конкретного активного полимерного материала. Мы знали множество полимеров этого класса, но выбрать тот, который был бы пригоден не только в качестве идеи, но и при создании прототипа, оказалось не так легко, — отмечает Олег Левин. — Кроме этого нужно было отработать технологию — создать полупромышленный образец, чтобы показать, что наша защита эффективна. Это потребовало закупки большого количества нового оборудования для прототипирования и отработки методик работы с компонентами литий-ионных аккумуляторов».

Видеозапись предоставлена пресс-службой СПбГУ

Важной особенностью новой технологии защиты является простота ее масштабируемости. Для примера — размеры традиционных внешних защитных схем зависят от мощности батареи. Соответственно, схема для тягового аккумулятора электромобиля будет не только большой, но и дорогой. Масштабировать «химический предохранитель» гораздо проще — его слой наносится по всей поверхности внутреннего токоотвода.

«При создании литий-ионных аккумуляторов используются разные виды катодов — электрических проводников, к которым направлено движение электронов. У них разное рабочее напряжение, и, соответственно, в каждом случае защитный полимер должен вести себя по-разному. В настоящий момент мы подобрали полимер только к одному типу аккумуляторов — литий-железо-фосфатному. Если изменить структуру полимера, есть надежда, что мы сможем сдвинуть окно проводимости, чтобы он подходил и к другим типам катодов, которые существуют на рынке. Кроме того, есть идея сделать защиту более универсальной, добавив в полимер защиту, действующую при изменении температуры в аккумуляторе. Это позволит исключить все возможные причины возгорания», — говорит Олег Левин.

Перед публикацией статьи СПбГУ получил патент на изобретение его ученых. В настоящее время авторы исследования готовят в лаборатории полноразмерные макеты защищенных аккумуляторов для демонстрации потенциальным инвесторам. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 19-19-00175.

#СПбГУ #ученые #разработка

Комментарии



Загрузка...

Самое читаемое

#
#
Новые предметы и знания. Что изменится в российских школах с 1 сентября 2019 года
26 Августа 2019

Новые предметы и знания. Что изменится в российских школах с 1 сентября 2019 года

Рассказываем, что ждет учащихся уже через несколько дней.

Вода из колодца - по лицензии. На кого распространяется новый закон?
26 Августа 2019

Вода из колодца - по лицензии. На кого распространяется новый закон?

С 1 января пользование скважинами и колодцами будет разрешено только по документу.

Белые – в Лосево, маслята – в Синявино. 8 самых грибных мест Ленобласти
20 Августа 2019

Белые – в Лосево, маслята – в Синявино. 8 самых грибных мест Ленобласти

Помогаем не очень опытным грибникам и любителям пробовать новое разобраться, в какие леса лучше всего выходить с ножом и лукошком.

В таких туфлях лететь нельзя! Курьезные случаи с пассажирами самолетов
08 Августа 2019

В таких туфлях лететь нельзя! Курьезные случаи с пассажирами самолетов

Как обувь приняли за взрывчатку, а на борт пронесли летучую мышь.

Финляндия объяснила ужесточение визовых правил для петербуржцев
05 Августа 2019

Финляндия объяснила ужесточение визовых правил для петербуржцев

С первого сентября туристам надо показывать план поездки и подтверждения наличия финансовых средств.

Спасибо, нам не надо. Китай не хочет присоединяться к новому договору о ликвидации ракет
05 Августа 2019

Спасибо, нам не надо. Китай не хочет присоединяться к новому договору о ликвидации ракет

Пекин еще раз официально заявил, что выступает против превращения ДРСМД в многостороннее соглашение.

Демографический сюрприз. Как меняется численность населения Петербурга и Ленобласти
02 Августа 2019

Демографический сюрприз. Как меняется численность населения Петербурга и Ленобласти

В черте Северной столицы и области вызревают города-стотысячники.

Перевозчики экономят. Еще одна авиакомпания отказалась от бесплатного питания для пассажиров
08 Июля 2019

Перевозчики экономят. Еще одна авиакомпания отказалась от бесплатного питания для пассажиров

На борту самолетов будут предлагаться только прохладительные напитки.

В «Сестрорецком болоте» проложат 3 км экотроп
02 Июля 2019

В «Сестрорецком болоте» проложат 3 км экотроп

Здесь сохранились такие растения и мхи, которых не встретишь больше нигде в окрестностях Петербурга.

Женский вопрос. Эксперт – об использовании феминитивов в юридическом языке
25 Июня 2019

Женский вопрос. Эксперт – об использовании феминитивов в юридическом языке

Суды активно используют слова «истица» и «заявительница», а слово «юристка» встречается лишь однажды.

Как грамотно уйти с работы? Советы юриста
13 Июня 2019

Как грамотно уйти с работы? Советы юриста

При увольнении «по собственному» человек помимо положенной зарплаты получает лишь компенсацию за неиспользованный отпуск.

Открывайте двери! В квартирах россиян будут искать незаконную перепланировку
03 Июня 2019

Открывайте двери! В квартирах россиян будут искать незаконную перепланировку

Верховный суд РФ решил: управляющая компания имеет право доступа на жилплощадь с целью проверки.