Химики СПбГУ решили проблему взрывающихся аккумуляторов

Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ) разработали надежную защиту от возгорания и взрыва для самых популярных в мире аккумуляторов — литийионных. Они создали своего рода химический предохранитель — слой специального полимера, который размыкает электрическую цепь в случае возникновения опасной ситуации. Научная статья с результатами исследования опубликована в издании Journal of Power Sources. Работа была поддержана грантом Российского научного фонда.

Сами эти реакции становятся новым источником тепла, аккумулятор раздувается от выделившихся газов и может загореться, став причиной пожара, или взорваться, что уже приводило к гибели людей.

Сегодня устройства, питающихся от литийионных аккумуляторов, снабжаются микросхемами, отключающими батарею при первых признаках опасности. Однако иногда эти системы выходят из строя, и это может привести к беде.

«За период с 2013 по 2018 год в одних только Соединенных Штатах Америки было зафиксировано 25 тыс. 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 используемых аккумуляторов», — говорит глава исследовательской группы Олег Левин.

Заповедь инженера гласит: чем больше в устройстве деталей, тем больше вероятность, что какая-нибудь из них сломается. Самые надежные системы — самые простые (что отнюдь не значит, что их просто изобрести). Поэтому российские специалисты радикально упростили схему защиты батареи. Это не микросхема, а всего один слой особого вещества, нанесенный на внутреннюю поверхность нужной части аккумулятора.

«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», — пояснил Олег Левин.

Таким образом, при нештатной работе устройства проводник становится изолятором — размыкает цепь и отключает аккумулятор. Что особенно приятно, это обратимый процесс, так что при следующем включении спасенная батарея будет работать как надо.

Исследователи подчеркивают, что этот своеобразный предохранитель реагирует на изменение напряжения, а не температуры. Поэтому он размыкает цепь до того, как аккумулятор начнет перегреваться и события примут опасный оборот.

Отыскать подобное вещество было непросто. Понадобилось шесть лет фундаментальных физико-химических исследований, чтобы обнаружить нужный класс полимеров. Еще два года ушло на выбор лучшего представителя из этого класса и доведение технологии до работающего прототипа. Зато теперь разработка ученых из Санкт-Петербурга запатентована и практически готова к внедрению.

Правда, пока новинка работает только в аккумуляторах с железофосфатным катодом, а это лишь один из видов литийионных батарей, присутствующих на рынке. У систем с другими катодами иное рабочее напряжение, так что для них придется менять структуру полимера. Однако со временем разработчики надеются приспособить новую технологию ко всем существующим типам литийионных аккумуляторов.

Согласно целям национального проекта «Наука» Россия должна войти в первую пятерку стран, ведущих разработки в приоритетных областях.

2021 год объявлен в России Годом науки и технологий. Это позволит узнать больше о научных достижениях нашей страны и сделать работу ученого более привлекательной для молодежи.