Учёные Санкт-Петербургского государственного университета совместно с Аккумуляторной компанией «Ригель» разработали защитный полимерный слой, который предотвращает тепловой разгон литий-ионных аккумуляторов при внутреннем коротком замыкании. Слой толщиной в десятки раз тоньше человеческого волоса размещают между катодным материалом и алюминиевым токосъёмником. В обычном режиме он хорошо проводит ток, но при аварийном падении напряжения его сопротивление резко возрастает, блокируя самый быстрый путь разряда и не давая ячейке перегреться или загореться. Результаты опубликованы в Journal of Energy Storage.
Проблема внутреннего короткого замыкания особенно опасна: оно может возникнуть из-за повреждения, перегрева, производственного дефекта или роста литиевых дендритов, а внешняя электроника защиты часто не успевает сработать. Разработанный полимер работает как «умный предохранитель»: компьютерное моделирование показало, что он перекрывает быстрый путь тока, ток перераспределяется внутри катодного материала, разряд замедляется, и тепло успевает рассеиваться без перехода к тепловому разгону.
Тест на промышленных ячейках подтвердил эффективность: при проколе стальным гвоздём аккумулятор без защиты воспламенился через 15 секунд, нагреваясь до 350°C, а ячейка с защитным слоем безопасно разряжалась почти 15 минут, нагреваясь лишь до 75°C, и все внутренние компоненты остались целыми. Расчёты также показали, как подобрать сопротивление слоя для конкретной ячейки, чтобы в штатном режиме потери были минимальными, а при аварии сопротивление возрастало достаточно сильно.
Разработка не требует датчиков и управляющей электроники: слой реагирует на изменение электрического состояния самой ячейки. Как отметил руководитель проекта Олег Левин, это особенно важно при внутренних коротких замыканиях, которые могут развиваться быстрее внешних защитных систем. Следующий шаг — оптимизация материала и конструкции слоя для разных типов аккумуляторов и режимов работы, чтобы найти баланс между безопасностью и потерями мощности. Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ.
Изображение: Ячейка с защитным слоем после разборки: электроды и токосъемники сохранились без разрушительного перегрева. Источник: Олег Левин / СПбГУ.
