Новый дизайн литий-ионных батарей: безопасность прежде всего

Литий-ионные аккумуляторы, повсеместно используемые в электромобилях, смартфонах и портативной электронике, несут в себе потенциальный риск возгорания. Инженеры по всему миру работают над созданием более безопасных конструкций, которые могли бы обеспечить долгий срок службы и высокую производительность без угрозы воспламенения. Эта задача становится все более актуальной с ростом популярности электромобилей и других устройств, питающихся от литий-ионных батарей.

Опасность возникает в случае физического повреждения, перезаряда или производственных дефектов, которые могут спровоцировать термический разгон. Этот процесс характеризуется разрывом связей между анионами (отрицательно заряженными ионами) и литием, что приводит к выделению тепла. В обычных условиях температура внутри аккумулятора может повыситься более чем на 500°C.

Однако команда исследователей из Китая разработала инновационный подход, позволяющий значительно снизить выделение тепла при повреждении литий-ионных аккумуляторов. Их исследование, опубликованное в журнале Nature Energy, описывает новую конструкцию, которая продемонстрировала впечатляющие результаты в тестах на прокол. Температура в таких аккумуляторах повысилась всего на 3.5°C.

В основе разработки лежит обнаружение того, что ионная ассоциация в электролите снижала температуру начала термического разгона примерно на 94°C. Ученые пришли к выводу, что замена части растворителя в электролите может повысить температуру, при которой начинается опасный процесс, одновременно сохраняя способность к формированию твердого электролитного интерфейса (SEI) при более низких температурах — нормальная функция литий-ионной батареи.

Исследователи создали так называемую «стратегию растворительного реле». Она способствует ионной ассоциации при комнатной температуре для формирования SEI, но вызывает диссоциацию при высоких температурах, обеспечивая безопасность. В новой конструкции используется растворитель бис(фторсульфонил)имид лития. Он связывается с литием из основного растворителя только при более высоких температурах, препятствуя образованию анионных связей, которые инициируют термический разгон.

Новый дизайн был протестирован на литий-ионных ячейках емкостью 1.1 Ач. В ходе тестов на прокол гвоздем, являющегося стандартной процедурой оценки безопасности, аккумуляторные ячейки с новой конструкцией показали выдающиеся результаты: прирост температуры составил менее 3.5°C. Для сравнения, ячейки с обычными электролитами нагрелись до 555.2°C.

Эта разработка представляет собой значительный шаг вперед в области безопасности литий-ионных аккумуляторов. Несмотря на необходимость дальнейших испытаний, предложенные изменения могут быть внедрены в массовое производство в ближайшем будущем, делая нашу повседневную жизнь с электроникой более безопасной.