Российские учёные создали технологию защиты литий-ионных аккумуляторов от возгорания
Специалисты из Санкт-Петербургского государственного университета предложили новую уникальную технологию защиты литий-ионных аккумуляторов от возгорания. В основе этой технологии лежит особый «химический предохранитель» — токопроводящий полимер, слоем которого покрывается токоотвод источника питания. Если возникает какая-либо внештатная ситуация, полимер разрывает цепь, тем самым оберегая аккумулятор от пожара.
Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время являются самыми распространёнными источниками питания. Различные их модели используются повсеместно – и в смартфонах, и в различной бытовой и специальной технике, и в автомобилях; в частности, такие аккумуляторы служат источниками питания в электромобилях и в мобильном лабораторном оборудовании, например, портативном лабораторном стерилизаторе. Однако они имеют некоторые недостатки, и самым серьёзным из них является проблема возгорания. Действительно, загореться при определённых условиях способна даже маленькая батарейка в мобильном телефоне. Возгорание может произойти вследствие перезаряда, короткого замыкания и по некоторым другим причинам. Источник питания начинает нагреваться, пока не наступает тепловой разгон. Как только температура в аккумуляторе достигает 70 – 90 градусов, в нём начинаются нежелательные химические реакции, следствием которых является взрыв или пожар.
Для защиты от возгорания обычно применяются внешние устройства, в основе которых лежит электронная микросхема. Она регистрирует все необходимые параметры аккумулятора, в том числе его температуру, и при возникновении критических показателей отключает его. Однако практика показывает, что данная микросхема работает не всегда успешно; иногда у неё имеются заводские дефекты. В результате устройство перестаёт функционировать, что оборачивается возгоранием источника питания. Большая часть пожаров и взрывов в литий-ионных аккумуляторов происходит именно по этой причине.
Поскольку на электронную защиту нельзя положиться, необходимы какие-то альтернативные подходы. Исследователи из Санкт-Петербурга предложили систему, которая работает на химических принципах. Разработанный ими полимер обладает электропроводностью, которая изменяется в зависимости от напряжения в схеме. Пока аккумулятор работает в нормальном режиме, полимер хорошо проводит ток; но если источник питания заряжен слишком сильно, полимер превращается в изолятор, то же самое происходит при коротком замыкании, когда напряжение в аккумуляторе слишком сильно падает.
Подобные полимеры на самом деле существуют достаточно давно. Их неоднократно пытались внедрить в качестве защиты аккумуляторов, но особого успеха в этом не добивались. Дело в том, что такие полимеры срабатывают в тот момент, когда батарея уже начала нагреваться, так что остановить опасный процесс, просто разорвав цепь, не получается. Учёные, однако,, не падали духом и искали новые соединения, которые смогли бы срабатывать ещё до того, как аккумулятор начнёт нагреваться. Наконец, такое вещество было найдено.
Разработка нужного полимера велась в общей сложности почти десять лет. Это были и фундаментальные теоретические исследования, и работа над созданием уже изученного полимера. В результате были найдены полимеры, которые способны изменять своё электрическое сопротивление в зависимости от напряжения.
У этого «химического предохранителя» есть особое преимущество перед традиционными электронными средствами защиты. Его очень легко масштабировать. Дело в том, что габариты внешнего устройства защиты зависят от размеров и мощности аккумулятора; поэтому, к примеру, в электромобилях такие защитные устройства являются громоздкими, да ещё и дорогими. Полимер же остаётся «сверхкомпактным» и дешёвым в любом случае: его достаточно нанести на всю внутреннюю поверхность токоотвода.
Собственно, был найден целый класс полимеров с необходимыми свойствами. Однако в ходе дальнейших исследований оказалось, что только одно соединение из этого класса пригодно для практического создания защитного материала.
