Brandgevaar door lithium-ionbatterijen is wereldwijd groot en een dergelijke storing kan ernstige gevolgen hebben voor zowel smartphones als elektrische auto's, zegt het hoofd van de groep en professor in de afdeling Elektrochemie aan de Universiteit van St. Petersburg Oleg Levin. "Van 2012 tot 2018, 25, Er werden alleen in de VS 000 gevallen van vlam vatten door een breed scala aan apparaten gemeld. Eerder, van 1999 tot 2012, 1 maar, 013 gevallen werden gemeld. Het aantal brandincidenten neemt toe, evenals het aantal gebruikte batterijen, " hij zei.

Een van de belangrijkste redenen waarom lithium-ionbatterijen vlam vatten of exploderen, is overladen, kortsluiting, en anderen. Als resultaat, de batterij is oververhit en de batterijcel gaat in thermische runaway. Het verhogen van de temperatuur tot 70 of 90 °C kan leiden tot gevaarlijke chemische reacties die kunnen leiden tot een verder stijgende temperatuur en bijgevolg tot brand of explosie. Om te voorkomen dat batterijen vlam vatten, kunnen we een aangrenzend apparaat gebruiken, d.w.z. een elektronische microschakeling. Het volgt alle parameters van de batterij en kan de batterij uitschakelen in geval van nood. Toch waren de meeste brandincidenten te wijten aan storingen van de elektronische microschakelingen veroorzaakt door fabricagefouten.

"Daarom was het bijzonder belangrijk om een ​​veiligheidsstrategie voor de batterij te ontwikkelen op basis van de chemische reacties om de stroom van elektrische stroom in het batterijpakket te blokkeren. we stellen voor om een ​​speciaal polymeer te gebruiken. De elektrische geleidbaarheid kan zich aanpassen aan de spanningsschommelingen in de batterij. Als de batterij normaal werkt, het polymeer verhindert niet dat de elektrische stroom vloeit. Als de batterij overladen is, er is een kortsluiting, of de batterijspanning zakt onder het normale bedrijfsniveau, het polymeer gaat in een zogenaamde isolator, zekering, modus, zei professor Levin.

Er zijn polymeren die de weerstand kunnen veranderen bij verhitting, zegt professor Levin. Het probleem dat we tegenkwamen bij het gebruik van deze technologie, onder meer in de bedrijven in Sint-Petersburg, was als het polymeer als isolator gaat werken, het betekent dat de batterij al oververhit is geraakt, wat heeft geleid tot gevaarlijke processen die niet kunnen worden gestopt door alleen het elektrische circuit te onderbreken. Dit maakt deze technologie verre van effectief. Maar zulke vorderingen wekten interesse in het zoeken naar nieuwe technologieën, inclusief het polymeer dat de spanning kan aanpassen voordat de batterij oververhit raakt.

"Ik werkte samen met Evegenii Beletskii, mijn postdoctorale student aan de afdeling Elektrochemie, die in de industrie had gewerkt. Hij heeft ruime ervaring in het ontwikkelen van batterijveiligheidssystemen. Dit heeft ons enorm geholpen bij het uitvoeren van het experimentele deel van het project dat zich richtte op de werking van het polymeer. Anna Fedorova, een postdoctorale student aan de afdeling Elektrochemie, werkte ook in de industrie. In het project, ze hield zich vooral bezig met het berekenen van de fysische en chemische eigenschappen van het materiaal, ' zei Oleg Levin.

Het project duurde twee jaar. Gedurende de zes jaar voor de start van het project om de technologie te ontwikkelen, de wetenschappers hadden fundamenteel onderzoek gedaan om de fysische en chemische eigenschappen van een breed scala aan polymeren te bestuderen. Ze ontdekten een klasse polymeren die de weerstand veranderen met spanning. Dit was waar de wetenschappers zich op richtten.

"Het moeilijkste bij het ontwikkelen van de 'chemische lont' was het vinden van een actief polymeer. We kenden een grote verscheidenheid aan polymeren van deze klasse. Maar het kiezen van degene die geschikt zou zijn om een ​​prototype te maken, was een harde noot om te kraken, "zei Levin. "Bovendien, we moesten de technologie verder ontwikkelen door een industriële versie te ontwikkelen om te laten zien dat we een idee hadden voor een effectieve strategie voor batterijveiligheid. Dus, we moesten veel nieuwe apparatuur aanschaffen voor prototyping en het aanpassen van technieken om met lithium-ionbatterijen te werken."

Wat deze veiligheidstechnologie anders maakt, is de hoge schaalbaarheid. Bijvoorbeeld, hoe groot het traditionele afstelbeveiligingscircuit is, hangt af van hoe krachtig de batterij is. Daarom, het schema van de aandrijfbatterijen van elektrische auto's zal zowel groot als duur zijn. Het schalen van de 'chemische zekering' is eenvoudig omdat deze over het hele oppervlak van de binnenste stroomcollector wordt aangebracht.

"Lithium-ionbatterijen gebruiken verschillende soorten kathoden, d.w.z. positief geladen elektroden waarmee elektronen een elektrisch apparaat binnenkomen. Ze hebben verschillende werkspanning. Dus, een veiligheidspolymeer zou dienovereenkomstig moeten reageren. We zijn erin geslaagd een polymeer te vinden dat geschikt is voor slechts één type batterij, dat is een lithium-ijzerfosfaatbatterij. Het veranderen van de structuur van het polymeer kan ertoe leiden dat de geleidbaarheid ervan verandert om het geschikt te maken voor andere soorten kathoden die tegenwoordig op de markt zijn. We hebben enkele gedachten over hoe we deze veiligheidsstrategie universeler kunnen maken door een veiligheidscomponent aan het polymeer toe te voegen om zich aan te passen aan veranderingen in temperatuurniveaus in de batterij. Dit zal naar verwachting alle brandrisico's in verband met de batterijen elimineren, ' zei Oleg Levin.

Voordat u het artikel publiceert, St Petersburg University kreeg een patent voor deze technologie. De wetenschappers bereiden momenteel een model op ware grootte van beschermde batterijen voor om ze aan potentiële investeerders te demonstreren.