Литий-ионные батареи — популярный выбор в индустрии возобновляемой энергии. Их высокая плотность энергии позволяет хранить огромное количество энергии относительно размера, что делает их идеальными для электромобилей, смартфонов и других перезаряжаемых устройств. Однако тепло, которое они выделяют, иногда становится буквально опасным.
Для химической реакции в перезаряжаемых батареях нужны два компонента: анод из литиевого металла, который окисляется и высвобождает электроны, и катод с оксидом, богатым никелем, который заряжает эти электроны. Но побочным продуктом является горючий газ. При возгорании пламя может гореть несколько часов, выделяя клубы дыма, наполненного токсичными химикатами. В некоторых случаях для полного тушения пожара в автомобиле с литиевой батареей требуется до 30 000 галлонов воды.
Учитывая эту угрозу, автомобильные инженеры постоянно работают над улучшением конструкции батарей и корпусов. Некоторые исследователи утверждают, что дополнительный уровень защиты также повысит безопасность батарей.
Согласно исследованию, опубликованному 14 июля в «Proceedings of the National Academy of Sciences», интеграция более совершенных систем пожаротушения в литий-ионные батареи может стать эффективным дополнительным страховочным механизмом для водителей и пассажиров.
Команда под руководством молекулярного химика Ин Чжана из Института химии Китайской академии наук разработала прототип батареи с катодами, наполненными огнестойким полимером. Затем они протестировали его на стандартной промышленной литиевой батарее, постепенно повышая их внутреннюю температуру.
Оба устройства начали перегреваться после превышения температуры в 212 градусов по Фаренгейту, но здесь в игру вступило секретное оружие прототипа. При такой температуре специализированные полимеры внутри катодов начали разрушаться, выделяя радикалы, подавляющие неизбежное накопление горючих газов. После превышения температуры в 248 градусов стандартная батарея взорвалась в течение 13 минут, а пламя достигло 1832 градусов. В то же время новая батарея-прототип достигла максимальной температуры в 428 градусов без возгорания.
«Эта умная стратегия управления газом повышает как термическую безопасность, так и электрохимическую стабильность, предлагая преобразующий путь к созданию пожаробезопасных литиевых батарей для передовых приложений хранения энергии», — объяснили авторы исследования.
Если этот дизайн удастся масштабировать, он может помочь предотвратить бесчисленные возгорания батарей, но именно эта деталь будет иметь ключевое значение для его успеха.
Хотя некоторые производители аккумуляторов уже обрабатывают свою продукцию огнестойкими химикатами, прошлые исследования показывают, что они мало что делают для предотвращения возгораний. Более того, те же химикаты могут выделять в воздух ещё больше токсинов при нагревании. Чтобы новый дизайн работал, инженерам необходимо убедиться, что их изобретение не только предотвращает возгорания, но и не генерирует никаких опасных паров, которые могут сопровождать пламя. Пока что, по крайней мере, это так.