Огнезащитный литий

Электролит на полимерной основе позволяет создавать батареи, которые продолжают работать и не загораются при нагревании до температуры более 140 градусов по Фаренгейту.

Крис Патрик

Литий-ионные аккумуляторы питают телефоны, ноутбуки, другую персональную электронику и электромобили и даже используются для хранения энергии, вырабатываемой солнечными панелями. Но если температура этих батарей поднимется слишком высоко, они перестанут работать и могут загореться.

Частично это связано с тем, что электролит внутри них, который переносит ионы лития между двумя электродами при зарядке и разряде батареи, легковоспламеняющийся.

«Одной из самых больших проблем в аккумуляторной промышленности является проблема безопасности, поэтому предпринимаются большие усилия для создания безопасного аккумуляторного электролита», — сказала Рэйчел З Хуанг, аспирантка Стэнфордского университета и первый автор исследования. Отчет опубликован 30 ноября в Matter.

Хуанг разработал негорючий электролит для литий-ионных аккумуляторов вместе с 19 другими исследователями из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета. Их работа продемонстрировала, что батареи, содержащие этот электролит, продолжают работать при высоких температурах, не вызывая возгорания.

Их секрет? Больше соли.

Обычные электролиты литий-ионных аккумуляторов состоят из соли лития, растворенной в жидком органическом растворителе, таком как эфир или карбонат. Хотя этот растворитель улучшает производительность батареи, помогая перемещать ионы лития, он также является потенциальным разжигателем возгорания.

Батареи выделяют тепло во время работы. А если в аккумуляторе есть проколы или дефекты, он будет быстро нагреваться. При температуре выше 140 градусов по Фаренгейту небольшие молекулы растворителя в электролите начинают испаряться, превращаясь из жидкости в газ и надувая батарею, как воздушный шар – до тех пор, пока газ не загорится, и все это не загорится.

За последние 30 лет исследователи разработали негорючие электролиты, такие как полимерные электролиты, в которых для перемещения ионов используется полимерная матрица вместо классического раствора соли-растворителя. Однако эти более безопасные альтернативы не перемещают ионы так эффективно, как жидкие растворители, поэтому их эффективность не может сравниться с эффективностью обычных электролитов.

Команда хотела создать электролит на полимерной основе, который мог бы обеспечить как безопасность, так и производительность. И у Хуана возникла идея.

Она решила добавить как можно больше соли лития под названием LiFSI в электролит на полимерной основе, разработанный и синтезированный Цзянь-Ченг Лаем, научным сотрудником Стэнфордского университета и соавтором статьи.

«Я просто хотел посмотреть, сколько я смогу добавить, и проверить предел», — сказал Хуанг. Обычно менее 50% веса электролита на основе полимера составляет соль. Хуанг увеличил это число до 63%, создав один из самых соленых электролитов на основе полимеров за всю историю.

В отличие от других электролитов на основе полимеров, этот также содержал легковоспламеняющиеся молекулы растворителя. Однако общий электролит, известный как негорючий электролит, закрепленный растворителем (SAFE), оказался негорючим при высоких температурах во время испытаний литий-ионной батареи.

SAFE работает, потому что растворители и соль действуют вместе. Молекулы растворителя помогают проводить ионы, в результате чего производительность сравнима с батареями, содержащими обычные электролиты. Но вместо того, чтобы выходить из строя при высоких температурах, как большинство литий-ионных батарей, батареи, содержащие SAFE, продолжают работать при температурах от 77 до 212 градусов по Фаренгейту.

Между тем, большое количество добавленных солей действует как якорь для молекул растворителя, предотвращая их испарение и возгорание.

«Это новое открытие указывает на новый подход к разработке электролитов на основе полимеров», — сказал Чженань Бао, профессор Стэнфордского университета и исследователь Стэнфордского института материаловедения и энергетических наук (SIMES), который консультирует Хуанга. «Этот электролит важен для разработки будущих батарей, которые обладают высокой плотностью энергии и безопасны».