Ученые создали Li-ion батарею, которая работает даже в огне

В начале 1990-х годов, когда в местное пожарное отделение позвонили из компании Moli Energy, пожарные точно знали, куда ехать: на аккумуляторный склад компании. Ванкуверская фирма была первой, начавшей массовое производство литий-металлических аккумуляторов. Но такие батареи имели одну неприятную особенность — они взрывались, что в конечном итоге привело к потоку негативных отзывов, который и обанкротил компанию.

Прошло тридцать лет, и современные литий-ионные батареи стали куда компактнее при большей емкости, однако они все еще могут взрываться — думаю, печальную судьбу Samsung Galaxy Note7 помнят многие. Одним из виновников такого взрывного поведения является жидкий электролит — обычно легковоспламеняющийся органический растворитель, который облегчает потоку ионов путешествие между электродами батареи. И первое, что сделали ради повышения безопасности таких аккумуляторов еще с десяток лет назад, это заменили горючий жидкий электролит на твердый пористый материал.

Однако в реальности никогда все не бывает так просто. Твердотельные электролиты, в общем и целом, являются менее легковоспламеняющимися веществами, чем их жидкие аналоги, но все же они не полностью устойчивы к возгораниям. Правда, теперь это может измениться, благодаря новой технологии, разработанной командой ученых во главе с Йи Цуем, материаловедом из Стэнфордского университета.

В статье, опубликованной в журнале

Nano Letters

, команда описывает, как они создали новый «огнеупорный» твердотельный электролит для использования в литий-ионных батареях. «Мы решаем проблему воспламеняемости твердотельных электролитов, добавляя в них огнезащитный состав», — говорит Цзяю Ван, доктор наук в лаборатории Цу и соавтор этой статьи.

Общий принцип работы Li-ion аккумулятора.

Они использовали огнестойкий материал, называемый декабромдифенилоксид этана. Чтобы создать новый твердотельный электролит, команда сначала создала тонкую пленку, объединив декабромдифенилоксид этана с полиимидом, веществом, усиливающим механическую прочность. Использование полиимида дает много преимуществ, говорит Ван. Помимо того, что он «действительно механически прочен», он может похвастаться высокой температурой плавления (что снижает вероятность возникновения короткого замыкания), также его легко внедрить в существующие технологические процессы производства литий-ионных аккумуляторов, ну и под конец — он дешев.

Однако проблема в том, что полиимид — хороший диэлектрик, а электролит должен проводить ионы лития. Чтобы обойти это препятствие, Ван и его коллеги добавили в смесь два разных полимера, полиэтиленоксид и бистрифторметансульфонилимид лития (кто прочел декабромдифенилоксид с первого раза — для вас новый челлендж).

Выглядит бистрифторметансульфонилимид не лучше, чем читается.

«Это инновация — они умело использовали сополимеры, что является новым способом решения проблемы воспламеняющихся полимерных электролитных батарей», — говорит Чуншенг Вонг, исследователь, изучающий новые аккумуляторные технологии в Университете Мэриленда.

Твердотельные электролиты принимают две основные формы. Вы можете сделать их из керамики, материала, который хорошо проводит ионы, но невероятно хрупок, из-за чего приходится делать более толстые батареи, которые имеют меньшую плотность энергии. Второй путь — можно использовать электролиты, состоящие из полимеров, которые являются дешевыми, легкими и гибкими веществами. К тому же они «мягкие», что дает низкое сопротивление на границе раздела электрода и электролита — это позволяет электролиту легко проводить ионы.

Но у полимерных электролитов тоже есть проблемы. «Их мягкость означает, что они не способны подавлять распространение литиевого дендрита, поэтому они огнеопасны», — говорит Ван, имея в виду крошечные игольчатые выступы, которые растут из анода батареи. Дендриты могут возникать в литиевой батареи после большого числа циклов зарядки и разрядки; когда эти кристаллы лития проникают в сепаратор аккумулятора, они могут вызвать короткое замыкание и возгорание.

Процесс роста дендрита лития в аккумуляторе.

«Использование полиимида помогло нам решить проблему с недостаточной прочностью электролита, позволив добиться надежности на уровне батарей с керамическими электролитами при существенно меньшей толщине», — говорит Ван.

Механическая прочность, наряду с пониженной воспламеняемостью, являются лишь некоторыми причинами того, почему твердотельные электролиты Цу вызвали интерес у исследователей как в научных кругах, так и в промышленности. Еще одна немаловажная особенность твердотельных электролитов заключается в том, что они позволяют создавать штабеля аккумуляторов. «Поскольку такой электролит не течет, вы можете легко соединить несколько батарей без проводов... что крайне важно для увеличения плотности энергии», — говорит Ван.

Но идеального варианта все равно не существует. По словам Вана, у всех твердотельных электролитов на данный момент есть свои проблемы, требующие решения.

И команда Цу в Стэнфорде смогла на шаг приблизиться к созданию идеального литий-ионного аккумулятора. Мало того, что они создали новый ультратонкий твердотельный электролит (толщиной от 10 до 25 микрометров), их разработка также обеспечивает высокую удельную емкость аккумулятора (131 миллиампер-час на грамм, что в полтора раза больше, чем у современных Li-ion батарей) и демонстрирует неплохие показатели живучести (300 полных циклов перезаряда при 60 градусах Цельсия).

Важно отметить, что изготовленные в лаборатории прототипы батарей оказались работоспособными, даже если поместить их в огонь: на видео хорошо видно, что светодиод, питающийся от такого аккумулятора, продолжает гореть, даже если последний объят пламенем.

«Это было крайне удивительно для нас», — говорит Ван. «Обычно батареи просто взрывается в огне. Но в данном случае она не только не взрывается, но и продолжает функционировать».

На данный момент команда Цу продолжает искать новые материалы и конструкции для использования в твердотельных электролитах с целью повышения максимального тока и емкости аккумулятора. По словам Вана, теперь их задача состоит в том, чтобы зарядить такую батарею быстрее, иметь более высокую плотность энергии и большую долговечность.