Създаден е нов тип литиевойонна батерия, която работи дори в огън

В началото на 1990-те години, когато в пожарната позвъни някой от компанията Moli Energy, пожарникарите са знаели къде да отидат, без никой да им обяснява маршрута. Това е складът за акумулаторни батерии на тази компания от Ванкувър, която тогава започва масовото производство на подобни батерии. Лошото е, че произвежданите от Moli Energy батерии имали една твърде неприятна особеност – те спонтанно се взривяват, което донесе изключително много негативни отзиви за тях и компанията фалира.

Изминаха 30 години и днешните литиевойонни батерии станаха много по-компактни при по-голям капацитет, но все още има известна вероятност да се взривят – навярно мнозина още помнят печалната съдба на Samsung Galaxy Note 7. Една от причините за това поведение е течният електролит. Обикновено това е лесно възпламеним органичен разтворител, който улеснява движението на йоните между електродите на батерията. И първото, което бе направено за повишаване безопасността на тези акумулаторни батерии още преди 10 години, бе замяната на възпламеняемия електролит с твърд и порест материал.

Но в реалността нищо не е така просто. Твърдите електролити не се възпламеняват така лесно, като техните течни аналози, но не са изцяло устойчиви към запалване. Но сега това може да се промени благодарение на новата технология, разработена от екип учени, оглавяван от Ий Цуй (Yi Cui), специалист по метали и материали от Станфордския университет.

В научната работа, публикувана в списание Nano Letters, учените описват каки са успели да създадат съвсем нов огнеупорен електролит за литиевойонни батерии.

„Ние решаваме проблема със самозапалването на твърдите електролити, като добавяме в тях огнезащитен материал“ – каза Цзяо Ван (Jiayu Wan), доктор на науките от лабораторията на Цуй и съавтор на тази научна статия.

Те са използвали устойчив на огън материал, който се нарича етанов декабромдифенилоксид (DBDPE). За получаването на твърдия електролит, екипът първо създава тънък филм, обединяващ етановия декабромдифенилоксид с полиамид – вещество, което засилва механичната якост. Използването на полиамид дава много преимущества. Той е много здрав от механична гледна точка и има много висока температура на топене, което силно намалява вероятността от възникване на късо съединение. Той лесно може да се внедри в сегашните технологични процесори за производство на литиевойонни батерии и е евтин.

Но проблемът тук е, че полиамидът е добър диелектрик, а електролитът трябва да провежда йоните на лития. За да се справи с това препятствие екипът на Ван са добавили в сместа два различни полимера – полиетилен оксид и литиев бистрифлуорометансулфонилимид (LiTFSI). Ако сте прочели имената на тези химични съединения от първия път, заслужавате награда.

„Това е една много добра иновация – те умело са използвали съполимери, което е нов начин за решаване на проблема със самозапалващите се полимерни батерии“ – заяви Чуншен Уонг, известен изследовател, изучаващ най-новите акумулаторни технологии в университета на Мериленд.

Твърдите електролити са два основни вида. Те могат да бъдат направени от керамика, която много добре провежда йоните, но е твърде крехка, заради което се налага да бъдат правени по-дебели батерии с ниска плътност на енергията. Вторият вид са електролитите от полимери, които са евтини, леки и гъвкави вещества. Освен това, те са сравнително меки, което дава ниско съпротивление на границата между електрода и електролита, а това дава възможност на електролита по-лесно да провежда йоните.

Но полимерните електролити също имат проблеми. Тяхната мекота означава, че те не могат да спрат разпространението на дендритите в лития, а това може да доведе до самозапалване. Дендритите възникват в литиевите батерии след голям брой цикли на зареждане и разреждане. Това са дървовидни израстъци от лития, които проникват през сепаратора на акумулаторната батерия и могат да предизвикат късо съединение и пожар.

„Използването на полиамид ни помогна да решим проблема с недостатъчната здравина на електролита и даде възможност да постигнем надеждност на ниво батериите с керамични електролити при съществено по-малка дебелина“ – допълва Ван.

Механичната здравина заедно с понижената вероятност от самозапалване са основните причини от твърдите електролити на Цуй да се заинтересуват както научните кръгове, така и промишлеността. Друга немаловажна особеност на твърдите електролити е, че дават възможност за създаването на стекове от акумулаторни батерии.

„Тъй като този електролит не тече става възможно съединяването на няколко батерии без използването на проводници, а просто чрез тяхното долепяне, което е много важно за увеличаване плътността на енергията“ – каза още Ван.

Екипът на Цуй в Станфорд се приближи с още една стъпка към създаването на идеалната литиевойонна батерия. Освен че създадоха нов ултратънък електролит с дебелина от 10 до 25 микрона, тяхната разработка осигурява висок относителен капацитет на батерията – 131 милиамперчаса на грам, което е един и половина пъти повече от съвременните Li-ion елементи. Освен това, тези батерии са много издръжливи при 60 градуса по Целзий са възможни над 300 цикъла зареждане – разреждане.

Интересно е, че представените от учените прототипи на акумулаторни батерии работят дори и да се поставени в огъня. Интересно е публикуваното видео, което показва, че светодиодът, захранван от подобна батерия, продължава да свети, дори и когато батерията е обвита в огън.

„Това бе много учудващо за нас“ – споделя Ван. „Обикновено батериите от този тип просто се взривяват в огъня. Но в този случай нищо подобно не става – батерията не само че не се запалва или взривява, но продължава да работи“.

Сега екипът на Ван продължава да търси нови материали за използване в твърдите електролити и работи върху технологии за много бързото зареждане на батериите с тези електролити.