Усовершенствованный литий-ионный аккумулятор можно проколоть, не загоревшись

Литий-ионные аккумуляторы склонны к возгоранию при повреждении, но простая замена электролита может остановить порочный химический цикл, вызывающий проблему.

Замена всего лишь одного из материалов, используемых в литий-ионных аккумуляторах, может предотвратить неконтролируемые пожары, которые вспыхивают при их прокалывании или изгибе, а массовое производство этих более безопасных аккумуляторов может начаться в ближайшие несколько лет.

Литий-ионные аккумуляторы, используемые в смартфонах, ноутбуках и электромобилях, содержат графитовый электрод, металл-оксидный электрод и электролит из литиевой соли, растворённой в растворителе. Жидкий электролит позволяет ионам перемещаться в одном направлении для зарядки аккумулятора и в другом направлении для высвобождения энергии и питания устройств.

Но если эта конструкция будет проколота таким образом, что возникнет короткое замыкание, вся химическая энергия, хранящаяся внутри, быстро высвободится, что может вызвать пожар или даже взрыв.

Исследователи разработали альтернативные конструкции аккумуляторов для предотвращения подобных возгораний, включая защитные гели и даже твёрдые заменители жидкого электролита. Юэ Сунь из Китайского университета Гонконга и её коллеги создали безопасную конструкцию, которую можно изготавливать точно так же, как существующие аккумуляторы, благодаря изменению материала электролита.

Пожары возникают, когда отрицательно заряженные ионы, называемые анионами, разрывают связи с литием в аккумуляторе. Разрыв связей приводит к выделению большего количества тепла и поддерживает цикл разрушения в процессе, называемом тепловым разгоном.

Чтобы обойти эту проблему, исследователи создали второй растворитель, бис(фторсульфонил)имид лития, который связывается с литием из основного растворителя только при более высоких температурах, когда начинается тепловой разгон. В отличие от обычного растворителя, в этом новом материале не могут существовать анионные связи, и, следовательно, он не может генерировать порочный круг выделения тепла. При прокалывании аккумулятора гвоздём температура внутри него повышается всего на 3,5 °C, в то время как обычные аккумуляторы могут нагреваться более чем на 500 °C.

«Вредитель — это анион, обладающий высокой энергией связи, и именно разрыв этих связей вызывает тепловой разгон», — говорит Гэри Лик из Бирмингемского университета, Великобритания. «Мы изолируем вредителя от этого процесса. Это большой шаг вперёд с точки зрения безопасности аккумуляторов».

В ходе испытаний батареи, в которых использовался новый растворитель, сохранили 82 процента своей емкости за 4100 часов эксплуатации, что означает, что они могут конкурировать с современными технологиями.

Лике утверждает, что полученные результаты могут быть использованы при создании аккумуляторов следующего поколения, а затем через три-пять лет их можно будет производить массово.

Энергия природы DOI: 10.1038/s41560-025-01888-5

Источник: www.newscientist.com