Учёные из Стэнфордского университета разработали умные литиево-ионные аккумуляторы, которые способны заблаговременно предупреждать о возможности перегрева и возгорания.
В последние годы люди начали сомневаться по поводу безопасности литиево-ионных аккумуляторов из-за ряда инцидентов. Так, батареи воспламененились на борту самолёта Boeing 787 Dreamliner в аэропорту Хитроу в 2013 году, а также в автомобилях Tesla Model S, причём причины возгораний до сих пор не были определены.
В 2006 году корпорация Sony отозвала миллионы литиево-ионных батарей после десятка жалоб о возгорании ноутбуков. Компания заявила, что в процессе производства едва заметные металлические примеси попали внутрь аккумуляторов, в результате чего и происходило короткое замыкание.
Новая технология, по сути, предназначена для использования в рядовых литиево-ионных батареях, которые в настоящее время используются в миллиарде мобильных телефонов, ноутбуков и других электронных устройств, а также во многих автомобилях и самолётах.
"Наша цель заключается в создании системы раннего предупреждения, которая в итоге поможет спасти имущество и жизнь, – рассказывает профессор материаловедения и инженерии И Цуй (Yi Cui). – Система способна обнаружить проблемы, которые возникают по мере нормального функционирования аккумулятора, однако это не относится к механическим повреждениям, которые являются следствием аварий или каких бы то ни было происшествий".
Ежегодно в мире продаются сотни миллионов компьютеров и мобильных устройств, но вероятность того, что именно купленная вами вещь окажется бракованной – одна на миллион. "Мы хотели бы снизить шансы возгорания батареи до одного случая на миллиард или даже до нуля", — продолжает Цуй.
Что же сделали специалисты Стэнфорда? Типичный литиево-ионный аккумулятор состоит из двух плотно прижатых электродов – углеродного анода и металлического катода из оксида лития – разделяет их ультратонкий полимерный сепаратор, который удерживает электроды от соприкосновения друг с другом. Если он повреждён, в батарее может произойти короткое замыкание, что приведёт к воспламенению горючего электролитического раствора, по которому двигаются ионы лития.
Сепаратор изготовлен из того же материала, что используется при производстве пластиковых бутылок, пишут авторы исследования. Это пористая структура, так что ионы лития могут течь между электродами.
Производственные дефекты (например, частицы посторонней пыли или металла, которые могут случайно попасть в сепаратор и вызвать короткое замыкание), также могут вызвать возгорание, если батарея заряжается слишком быстро или же если её температура слишком низкая.
"Перезарядка приводит к тому, что ионы лития застревают на аноде и накапливаются, образуя цепочки так называемых дендритов, – объясняет Цуй. – Дендриты могут проникнуть в пористый сепаратор и в конечном итоге соприкоснуться с катодом, вызывая короткое замыкание. В последние пару лет мы постоянно думали о необходимости создания умного разделителя, который сможет обнаружить предвестников короткого замыкания до того, как дендриты достигнут катода".
Наращивание дендритов, скорее всего, происходит во время зарядки, а не во время фазы использования аккумулятора и разрядки.
Чтобы решить эту проблему Цуй и его коллеги покрыли одну сторону полимерного сепаратора нанослоем меди, что создало новый третий электрод между анодом и катодом.
Медный слой действует как сенсор, который позволяет измерить разницу напряжений между анодом и сепаратором, рассказывают учёные. Когда дендриты по мере роста достигают медного покрытия (то есть преодолевают половину пути), напряжение на нём падает до нуля. Это позволяет узнать, что дендриты выросли, и предупреждает о том, что батарея должна быть удалена прежде, чем дендриты достигнут катода и спровоцируют короткое замыкание.
Таким образом, как только пользователь телефона получает сообщение, что напряжение упало до нуля, это означает, что батарея нуждается в срочной замене.
Путём измерения электрического сопротивления между сепаратором и катодом учёные могут точно определить, где конкретно дендриты уже прокололи медный проводник. Расположение крошечных дефектов было подтверждено после наблюдений за дендиритами под микроскопом.
Группа Цуя отмечает, что данная технология может быть также использована в цинковых, алюминиевых и других металлических аккумуляторах.
Толщина медного покрытия – всего 50 нанометров, что примерно в 500 раз тоньше, чем сам сепаратор. Добавление этого тонкого проводящего слоя не изменит срок службы аккумулятора, однако существенно увеличит безопасность. И чем больше батарея, тем важнее разработка подобных систем. Например, сейчас уже многие электромобили оснащены литиево-ионными аккумуляторами, взрыв которых может привести к трагическим последствиям.
Подробнее о разработке можно прочитать в статье журнала Nature Communications.
