Созданы невзрывающиеся литиевые аккумуляторы

Группа американских и китайских исследователей придумала, как можно сделать литиевые аккумуляторы в разы более безопасными, пишет The Conversation. Это большая проблема таких батарей – из-за них нередко воспламеняются электромобили и мобильные устройства, в особенности смартфоны. А некоторые попытки зарядить электросамокаты в домашних условиях и вовсе, бывает, заканчиваются взрывом и разрушением целой квартиры!

Статья, посвященная их разработке, опубликована в научном журнале Nature Sustainability.

СМИ освещали немало случаев воспламенения батарей мобильных устройств, которые приводили к серьезным ожогам, а иногда и к смерти владельца. Но самой яркой (в прямом и переносном смысле) была история смартфона Samsung Galaxy Note 7 – он умел воспламеняться самопроизвольно и сжигал людям машины и даже квартиры.

В команду ученых, заставивших литиевые батареи разучиться взрываться и гореть, вошли Сяньхуэй И (Xianhui Yi), Хунвэй Фу (Hongwei Fu), Аппарао М. Рао (Apparao M. Rao), Инцзяо Чжан (Yingjiao Zhang), Цзян Чжоу (Jiang Zhou), Чэнсинь Ван (Chengxin Wang) и Бинган Лу (Bingan Lu) из американских и китайских вузов. Аппарао М. Рао, например, является профессором Клемсонского университета (США), а Бинган Лу работает в Хунаньском университете (КНР).

В ходе экспериментов они установили, что для разительного повышения безопасности аккумуляторов достаточно лишь заменить горючий электролит, используемый в литиевых АКБ, на специальные материалы, продающиеся почти в любом строительном магазине. Также, по словам ученых, созданный ими электролит имеет физические свойства, аналогичные используемым в настоящее время электролитам, за счет чего его можно без труда интегрировать в существующие линии по производству аккумуляторов. «Если отрасль примет его, мы ожидаем, что компании смогут производить негорючие батареи, используя существующие мощности по производству литий-ионных батарей», – сказали ученые.

Обычно электролит в литиевых АКБ – это среда, состоящая из солей лития и органического растворителя, и такой «коктейль» легко воспламеним. Ученые создали новый электролит, который по своим свойствам не уступает оригинальному, но при этом не горит – они синтезировали его из материалов, которые можно найти в огнетушителях.

Если точнее, то ученые использовали модифицированную жидкость Novec 7300 производства компании 3M, которая действительно используется в огнетушителях. Как именно исследователи модифицировали эту жидкость, они не уточняют, но им нужно было, чтобы она могла функционировать в качестве электролита внутри элемента питания.

Ученые уточнили, что возникновение огня в батарее с их электролитом все же возможно, например, в случае ее повреждения или перегрева. Однако наружу пламя не выйдет – модифицированная жидкость Novec 7300 потушит его.

Синтезированный электролит имеет очень широкий диапазон рабочей температуры – от -75 до +80 градусов Цельсия. Это означает, что встроенный в АКБ «огнетушитель» сработает и в экстремальные морозы, и во время сильной жары.

Чтобы убедиться, что их идея действительно сработала, ученые провели серию экспериментов, в ходе которых намеренно повреждали аккумуляторы, стараясь вызвать масштабное возгорание. Один из тестов подразумевал забивание настоящего стального гвоздя из нержавеющей стали в предварительно полностью заряженный аккумулятор, имитируя короткое замыкание.

Если подобный фокус провести с обычным аккумулятором, к примеру, от смартфона, то снопа искр и огня, который почти невозможно потушить, не избежать. Однако АКБ с электролитом на основе Novec 7300 выдержали испытания – огня не было.

Авторы идеи рассказали, почему остановили свой выбор именно на жидкости Novec 7300. По их словам, поначалу они смотрели в сторону различных негорючих химических соединений на основе органики, но в итоге решили не использовать их. Основная причина – такие соединения содержат фтор и фосфор – они, во-первых, дороги сами по себе, что увеличило бы стоимость АКБ и устройств на этих батареях, во-вторых, могут оказывать вредное воздействие на окружающую среду.

Ученые приняли решение сосредоточиться на адаптации доступных коммерческих охлаждающих жидкостей. В итоге, по их словам, выбор пал на Novec 7300 – она обладает низкой токсичностью, негорюча и не способствует глобальному потеплению. Объединив эту жидкость с несколькими другими химическими веществами, повышающими долговечность, исследователи смогли создать электролит, который обладал искомыми свойствами.

При этом полученный электролит не только не давал батарее воспламениться в случае перегрева или повреждения, но и позволял ей проходить через множество циклов перезарядки без значительной потери емкости.

То, что электролит на базе Novec 7300 подходит для литиевых аккумуляторов, ученые обнаружили случайно. Первоначально они хотели улучшить калий-ионные батареи по той причине, что литий – более редкоземельный щелочной металл, нежели калий или натрий. Однако в ходе экспериментов было установлено, что разработка ученых прекрасно подходит для распространенных литий-ионных аккумуляторов.

Но авторы идеи пока не могут с уверенностью сказать, что их электролит сможет одинаково хорошо работать со всеми существующими, а также над находящимися в разработке типами аккумуляторов. Они еще не тестировали его на натриево-ионных, алюминиево-ионных и цинк-ионных АКБ. «Наша цель – разработать практичные, экологически чистые и устойчивые батареи независимо от типа их ионов», – заявили ученые.