Проблемы с литий-ионной батареей могут быть решены с помощью нового огнезащитного сепаратора
Литий-ионные аккумуляторы заслужили репутацию слишком горючего для комфорта. Многие предлагаемые решения по их опасным качествам могут принести в жертву долгий срок службы батареи, но исследователи из Стэнфорда, возможно, нашли способ обойти это.
Как многообещающие, поскольку литий-ионные батареи были, у них не всегда был самый безопасный послужной список. В 2016 году было довольно много сообщений о том, что батареи зажигаются в таких устройствах, как hoverboards (за ними следует большое количество напоминаний на вешалке) и популярном Samsung Galaxy S7 и S7 Note. Есть даже сообщения о том, что некоторые телефоны взорвались.
Почему литий-ионные батареи не работают
Здесь стоит подчеркнуть, что Samsung Galaxy Note 7 загорелась по нескольким причинам, ни одна из которых не является неотъемлемой частью литий-ионных аккумуляторов. Один вывод, независимо от Instrumental, заключался в том, что батарея была помещена в слишком маленькое пространство, чтобы обеспечить регулярное расширение. Но исследование Samsung по этому вопросу говорит о том, что проблемы с разделителем и повреждение электродов внутри батарей были виноваты. Для полного официального списка Samsung проблем, вызвавших эти инциденты (как их было несколько), см. Эту инфографику.
Суть в том, что литий-ионные аккумуляторы выходят из строя в основном из-за производственных дефектов, но основная проблема заключается в том, что эти батареи, хотя и эффективны, упаковывают большую плотность энергии в очень небольшое пространство. Неисправность вызвана эффектом, известным как тепловой побег, когда происходит разрыв сепаратора между катодом и анодом, в результате чего химические вещества, содержащиеся в батарее, нагреваются и воспламеняются воспламеняющимися электролитами внутри. В то время как эта проблема была относительно упущена потребителями, она становится особенно актуальной, поскольку мы требуем все больше энергии от батарей в компактных помещениях.
Было много предложенных решений проблемы, хотя большинство усилий связано с реорганизацией самих устройств, чтобы предотвратить появление коротких замыканий в их схемах или попытку создания огнестойких батарей без потери эффективности. К сожалению, не было удовлетворительного решения этих проблем в отношении производительности устройства, хотя новые усилия потенциально разрешили текущие проблемы.
Изображение предоставлено Карлисом Дамбрансом. (CC BY 2.0)
Строительство огнезащитных средств прямо в батарею
Недавно исследователи из Стэнфордского университета придумали решение этой проблемы, создав новый сепаратор, изготовленный из огнестойких материалов. Конструкция аккумуляторной батареи инкапсулирует общий антипирен, называемый трифенилфосфатом, посредством электропровождения в оболочке из полимерного волокна, которая высвобождается, когда батарея достигает 160 градусов по Цельсию, точка плавления пластика.
Сама идея сама по себе не обязательно оригинальна, так как исследователи и ученые в течение некоторого времени работали над использованием огнезащитных материалов внутри литиево-ионных батарей.
Основное представление батареи, разработанной командой Стэнфорда. Кредит: Liu et al. Sci Adv. 2017 янв., 3 (1): e1601978
Уникальность конструкции заключается в том, что антипирен не на самом деле не контактирует с химикатами внутри батареи, в отличие от предыдущих исследований, то есть до тех пор, пока он не достигнет 160 градусов Цельсия.
Когда батарея работает в обычных условиях, антипирен остается в полимерной оболочке, не позволяя ему ухудшать характеристики батарей. Это ключевой компонент конструкции, и, хотя он не предотвращает воспламенение батареи, новый сепаратор гасит огонь в течение 4 секунд.
Этот gif показывает трифенилфосфат внутри полимерной оболочки, тушащий легковоспламеняющийся электролит в течение 0, 4 секунды. Кредит: Liu et al. Sci. Adv. 2017; 3: e1601978
Конструкция была протестирована в батарее с ячейкой с графитовым анодом и литиевым счетчиком и эталонным электродом. Результаты пришли к выводу, что ТЭС способна эффективно гасить пламя. Наряду с этим было высказано предположение, что новый сепаратор можно использовать в других устройствах хранения высоких энергий. Дальнейшее тестирование необходимо для определения того, будет ли разделитель оставаться эффективным, когда возникают такие неисправности, как короткое замыкание, прокалывание и сжатие в больших ячейках.
Результаты исследований команды Стэнфордского университета могут оказаться собственностью компании в области разработки батарей. До сих пор кажется, что сепаратор не влияет на долговременную эффективность батареи, что дает ему обещание использовать в устройствах с литиевым питанием в ожидании дальнейших испытаний.
Оригинальную статью, опубликованную в журнале Journal Science, можно найти здесь.