20.04.2021

Противопожарные батареи — горячая тема для инвестиций

Опасность возгорания литий-ионных аккумуляторов велика во всем мире, и продолжает иметь серьезные последствия как для смартфонов, так и для электромобилей, считает руководитель группы, профессор кафедры электрохимии Санкт-Петербургского университета Олег Левин.

«С 2012 по 2018 год только в США было зарегистрировано 25 000 случаев возгорания широкого спектра устройств. Ранее, с 1999 по 2012 год отмечалось всего 1013 случаев возгорания. Понятно, что с ростом числа используемых батарей, наблюдается и увеличения числа возгораний», — резюмирует профессор.

Среди основных причин, по которым литий-ионные аккумуляторы загораются или взрываются, — перезаряд, короткое замыкание, перегрев электролита.

Повышение температуры до 70 или 90°C может привести к опасным химическим реакциям, которые переходят порог воспламенения или даже взрыва батареи.

Для противодействия, используется электронный контроллер, который отслеживает параметры работы батареи и может отключить ее в случае чрезвычайной ситуации.

Тем ни менее, большинство возгораний батареи вызваны отказами работы электронных микросхем, вызванными производственными дефектами.

«Именно поэтому было особенно важно разработать стратегию безопасности батареи, основанную на химических реакциях, чтобы блокировать поток электрического тока внутри батарейного блока. Для этого мы предлагаем использовать специальный полимер. Его электропроводность может приспосабливаться к колебаниям напряжения в батарее. Если аккумулятор работает нормально, полимер не препятствует протеканию электрического тока. Если батарея перегружена, происходит короткое замыкание или напряжение батареи падает ниже нормального рабочего уровня, полимер переходит в состояние изолятора, автоматически прерывая ток в батарее», — поясняет профессор Левин.

Есть полимеры, которые могут изменять сопротивление при нагревании.

Проблема, с которой столкнулись ученые разработчики при использовании новой технологии, в том числе и на предприятиях Санкт-Петербурга, заключается в том, что если полимер начинает работать как изолятор, то это означает, что аккумулятор уже перегревается, что приводит к опасным процессам, которые невозможно остановить простым разрывом электрической цепи.

Появилась необходимость поиска полимера, который сможет регулировать напряжение до того, как батарея начнет перегреваться.

— Я сотрудничал с Евгением Белецким, моим аспирантом по кафедре электрохимии, который работал в промышленности. Он имеет большой опыт в разработке систем безопасности аккумуляторных батарей. Это очень помогло нам в проведении экспериментальной части проекта, которая была сосредоточена на том, как работает полимер.

Анна Федорова, аспирантка кафедры электрохимии, также работала в промышленности. В проекте она в основном занималась расчетом физико-химических свойств материала, — отмечает Олег Левин.

За шесть лет до начала проекта и в последующие два года, когда отрабатывалась технология, ученые провели фундаментальные исследования физико-химических свойств широкого спектра полимеров.

По ходу им удалось открыть класс полимеров, которые изменяют сопротивление с изменением электрического напряжения.

Именно на этом типе полимеров и сфокусировали свое внимание разработчики.

— Самым трудным в разработке «химического предохранителя взрыва» было найти активный полимер. Более того, мы должны были продвинуть технологию, разработав промышленную версию, чтобы показать, что мы пришли к идее эффективной стратегии безопасности батареи. Таким образом, нам пришлось закупить много нового оборудования для прототипирования и настройки техники для работы с литий-ионными батареями, — сообщает подробности профессор Левин.

«Что отличает эту технологию безопасности, так это высокая масштабируемость. Например, насколько велика традиционная регулировочная защитная цепь, зависит от мощности батареи. Поэтому схема двигательных силовых батарей электромобилей будет громоздкой и дорогостоящей. Масштабирование «химического предохранителя» очень просто, так как он наносится по всей поверхности внутреннего токоприемника».

«В литий-ионных батареях используются катоды другого типа, то есть положительно заряженные электроды, с помощью которых электроны попадают в электрическое устройство. Они имеют различное рабочее напряжение. Таким образом, безопасный полимер должен реагировать соответствующим образом. Нам удалось найти полимер, который был бы пригоден только для одного типа батареи, то есть литий-железо-фосфатной батареи. Изменение структуры полимера может привести к изменению его проводимости, чтобы сделать его пригодным для других типов катодов, которые сегодня представлены на рынке. У нас есть некоторые мысли о том, как сделать эту стратегию безопасности более универсальной, добавив компонент безопасности в полимер, чтобы приспособиться к изменениям уровня температуры в батарее. Ожидается, что это позволит устранить все риски, связанные с воспламенением батарей», делает вывод профессор Олег Левин.

Перед публикацией статьи Санкт-Петербургский Университет получил патент на эту технологию.

В настоящее время ученые готовят модель защищенных батарей реального размера, чтобы продемонстрировать их возможности потенциальным инвесторам.

Поделиться
  •  
  • 1
  •  
  • 1
  •  
  •  
  •  
    2
    Поделились

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Яндекс.Метрика