Kemikere udvikler en ny teknologi til at forhindre lithium-ion-batterier i at antænde

Brandfaren for lithium-ion-batterier er omfattende verden over, og en sådan fejl kan have alvorlige konsekvenser for både smartphones og elbiler, siger lederen af ​​gruppen og professor ved Institut for Elektrokemi ved St. Petersborg Universitet Oleg Levin. "Fra 2012 til 2018, 25, 000 tilfælde af antændelse af en bred vifte af enheder kun i USA blev rapporteret. tidligere, fra 1999 til 2012, kun 1, 013 tilfælde blev anmeldt. Antallet af brandhændelser er stigende, ligesom antallet af brugte batterier, " han sagde.

Blandt hovedårsagerne til, at lithium-ion-batterier går i brand eller eksploderer, er overopladning, kortslutning, og andre. Som resultat, batteriet er overophedet, og battericellen går i termisk løb. Forøgelse af temperaturen op til 70 eller 90°C kan føre til farlige kemiske reaktioner, der kan resultere i yderligere stigende temperatur og som følge heraf brand eller eksplosion. For at forhindre, at batterierne går i brand, kan vi bruge en tilstødende enhed, altså et elektronisk mikrokredsløb. Den sporer alle batteriets parametre og kan slukke for batteriet i nødstilfælde. Alligevel skyldtes de fleste brandhændelser fejl i de elektroniske mikrokredsløb forårsaget af fabrikationsfejl.

"Det er derfor, det var særligt vigtigt at udvikle en sikkerhedsstrategi for batteriet baseret på de kemiske reaktioner for at blokere strømmen af ​​elektrisk strøm inde i batteripakken. Til dette formål, vi foreslår at bruge en speciel polymer. Dens elektriske ledningsevne kan tilpasses spændingsudsvingene i batteriet. Hvis batteriet fungerer normalt, polymeren forhindrer ikke den elektriske strøm i at flyde. Hvis batteriet er overopladet, der er kortslutning, eller batterispændingen falder til under normale driftsniveauer, polymeren går ind i en såkaldt isolator, afbryder, mode, " sagde professor Levin.

Der er polymerer, der kan ændre modstand, når de opvarmes, siger professor Levin. Det problem, vi stod over for, når vi brugte denne teknologi, herunder i virksomhederne i St. Petersborg, var hvis polymeren begynder at fungere som en isolator, det betyder, at batteriet allerede har været under overophedning, hvilket har resulteret i farlige processer, som ikke kan stoppes ved blot at bryde det elektriske kredsløb. Dette gør denne teknologi langt fra at være effektiv. Alligevel skabte sådanne fremskridt interesser i at søge nye teknologier, inklusive polymeren, der vil være i stand til at justere spændingen, før batteriet begynder at overophedes.

"Jeg samarbejdede med Evegenii Beletskii, min postgraduate studerende ved Institut for Elektrokemi, som havde arbejdet i industrien. Han har stor erfaring med udvikling af batterisikkerhedssystemer. Dette hjalp os meget med at udføre den eksperimentelle del af projektet, der fokuserede på, hvordan polymeren virkede. Anna Fedorova, en postgraduate studerende ved Institut for Elektrokemi, også arbejdet i industrien. I projektet, hun beskæftigede sig hovedsageligt med at beregne materialets fysiske og kemiske egenskaber, " sagde Oleg Levin.

Projektet varede to år. I løbet af de seks år før starten af ​​projektet med at udvikle teknologien, forskerne havde udført fundamental forskning for at studere de fysiske og kemiske egenskaber af en lang række polymerer. De opdagede en klasse af polymerer, der ændrer modstand med spænding. Det var det, forskerne fokuserede på.

"Den sværeste del i udviklingen af ​​den "kemiske sikring" var at finde en aktiv polymer. Vi kendte en lang række polymerer af denne klasse. Men at vælge den, der ville være egnet til at skabe en prototype, var en hård nød at knække, sagde Levin. Desuden, vi var nødt til at fremme teknologien ved at udvikle en industriel version for at vise, at vi var kommet med en idé om en effektiv batterisikkerhedsstrategi. Dermed, vi var nødt til at købe en masse nyt udstyr til prototyping og justering af teknikker til at fungere med lithium-ion-batterier."

Det, der gør denne sikkerhedsteknologi anderledes, er høj skalerbarhed. For eksempel, hvor stort det traditionelle justeringsbeskyttelseskredsløb afhænger af, hvor kraftigt batteriet er. Derfor, ordningen med drivkraftbatterier til elbiler bliver både stor og dyr. Skalering af den "kemiske sikring" er enkel, da den påføres over hele overfladen af ​​den indre strømaftager.

"Lithium-ion-batterier bruger forskellige typer katoder, dvs. positivt ladede elektroder, hvormed elektroner kommer ind i en elektrisk enhed. De har forskellig arbejdsspænding. Dermed, en sikkerhedspolymer bør reagere i overensstemmelse hermed. Det er lykkedes os at finde en polymer, der ville være egnet til kun én type batteri, det er et lithiumjernfosfatbatteri. Ændring af polymerens struktur kan resultere i ændring af dens ledningsevne for at gøre den velegnet til andre typer katoder, der er på markedet i dag. Vi har nogle tanker om, hvordan man kan gøre denne sikkerhedsstrategi mere universel ved at tilføje en sikkerhedskomponent i polymeren for at tilpasse sig ændringer i temperaturniveauer i batteriet. Dette forventes at eliminere alle brandrisici forbundet med batterierne, " sagde Oleg Levin.

Inden artiklen publiceres, St Petersburg University modtog patent på denne teknologi. Forskerne er i øjeblikket ved at forberede en model af beskyttede batterier i ægte størrelse for at demonstrere dem for potentielle investorer.