12:54
Исследователи из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Стэнфордского университета разработали негорючий электролит для литий-ионных аккумуляторов , который позволяет устройствам продолжать функционировать при высоких температурах, не вызывая возгорания.
До сих пор горючий электролит , используемый в литий-ионных батареях, приводил к тому, что некоторые из них переставали работать и загорались, когда их температура поднималась слишком высоко.
Причина этого в том, что обычные электролиты состоят из соли лития, растворенной в жидком органическом растворителе, таком как эфир или карбонат. Хотя этот растворитель улучшает характеристики батареи, помогая перемещать ионы лития, он также является потенциальным источником возгорания.
Батареи выделяют тепло при работе. А если в аккумуляторе есть проколы или дефекты , то он будет быстро нагреваться. При температуре выше 140 градусов по Фаренгейту маленькие молекулы растворителя в электролите начинают испаряться, превращаясь из жидкости в газ и раздувая батарею, как воздушный шар, пока газ не загорится, и все это не загорится.
За последние 30 лет исследователи разработали негорючие электролиты, такие как полимерные электролиты, в которых используется полимерная матрица вместо классического раствора соли и растворителя для перемещения ионов. Однако эти более безопасные альтернативы не так эффективно перемещают ионы, как жидкие растворители, поэтому их эффективность не соответствует характеристикам обычных электролитов.
Вот почему команда SLAC/Стэнфорд хотела создать электролит на полимерной основе, который мог бы обеспечить как безопасность, так и эффективность.
БЕЗОПАСНЫЙ электролит
Под руководством Рэйчел З Хуанг, первого автора исследования, в котором представлен электролит, группа решила добавить как можно больше соли лития, называемой LiFSI, в электролит на основе полимера, разработанный и синтезированный Цзянь-Ченг Лаем, научным сотрудником с докторской степенью. в Стэнфордском университете и соавтор статьи.
«Я просто хотел посмотреть, сколько я могу добавить и проверить предел», — сказал Хуан. Обычно менее 50% массы электролита на основе полимера составляет соль. Хуан увеличил это число до 63%, создав один из самых соленых электролитов на основе полимеров.
В отличие от других электролитов на полимерной основе, этот также содержал легковоспламеняющиеся молекулы растворителя. Однако общий электролит, известный как невоспламеняющийся электролит, закрепленный на растворителе (SAFE), оказался негорючим при высоких температурах во время испытаний в литий-ионной батарее.
БЕЗОПАСНОСТЬ обеспечивается, потому что растворители и соль работают вместе. Молекулы растворителя помогают проводить ионы, что приводит к производительности, сравнимой с производительностью батарей, содержащих обычные электролиты. Но вместо того, чтобы выходить из строя при высоких температурах, как большинство литий-ионных аккумуляторов, аккумуляторы, содержащие SAFE, продолжают работать при температурах от 77 до 212 градусов по Фаренгейту.
Между тем, добавленные соли в большом количестве действуют как якоря для молекул растворителя, предотвращая их испарение и возгорание.
Липкий электролит
Электролиты на полимерной основе могут быть твердыми или жидкими. Важно отметить, что растворители и соль в SAFE пластифицируют его полимерную матрицу, превращая ее в липкую жидкость, как в обычных электролитах.
По словам исследователей, липкий электролит может вписаться в существующие коммерчески доступные детали литий-ионных аккумуляторов, в отличие от других появившихся негорючих электролитов. Например, в твердотельных керамических электролитах должны использоваться специально разработанные электроды, что делает их производство дорогостоящим.
«Благодаря SAFE нет необходимости менять какие-либо производственные установки, — сказал Хуанг. «Конечно, если он когда-либо будет использоваться для производства, необходимо оптимизировать электролит, чтобы он вписался в производственную линию, но работы намного меньше, чем в любой другой системе».
Ученый и ее коллеги считают, что одно из применений SAFE может быть в электромобилях.
Они объясняют, что если несколько литий-ионных аккумуляторов в электромобиле расположены слишком близко друг к другу, они могут нагревать друг друга, что в конечном итоге может привести к перегреву и возгоранию. Но если в электромобиле есть батареи, заполненные таким электролитом, как SAFE, который стабилен при высоких температурах, его батареи можно упаковать близко друг к другу, не беспокоясь о перегреве.
Помимо снижения риска возгорания, это означает меньше места, занимаемого системами охлаждения, и больше места для аккумуляторов. Большее количество батарей увеличивает общую плотность энергии, а это означает, что автомобиль может дольше работать без подзарядки.
«Так что это не просто преимущество безопасности», — сказал Хуанг. «Этот электролит также может позволить вам упаковать гораздо больше батарей».
