Полиэтиленовая пленка с наночастицами никеля и графена защитит аккумуляторы от возгорания

Полиэтиленовая пленка с наночастицами никеля и графена защитит аккумуляторы от возгорания.

Ноутбуки, самолеты, электрические автомобили —  все сталкиваются с проблемами перегрева литий-ионных аккумуляторов. Но теперь, исследователи сообщают, что они придумали потенциально дешевый и эффективный способ, чтобы предотвратить перегрев. Они добавили в конструкцию батареи теплочувствительный полимерный лист, который выключает работу батареи, если температура поднимается слишком высоко. И как только температура падает, конфигурация полимерных листов возвращается к нормальной, позволяющей батарее вернуться к работе.

Разнообразные проблемы могут привести к возгоранию батареи. Если короткое замыкание происходит в пределах батареи, например, между двумя электродами, создавая горячую точку, то это может вызвать пожар. Исследователи шли с различными путями, чтобы предотвратить перегрев, прежде чем он ведет к катастрофе. Например, использовали капсулы, содержащие жидкий пластик, внутри литий-ионных батарей. Когда батареи начали перегреваться, капсулы расплавляются, выпуская жидкость, которая затем формирует изолирующий слой пластика в центре батареи, перекрывая ток.

К сожалению, эти методы не являются необратимыми, поэтому батарея больше не работает после того, как перегревается.

— говорит Yi Cui, эксперт Стэнфордского университета в Пало-Альто, штат Калифорния.

В надежде сделать лучше, Yi Cui обратился к одному из своих длинных сотрудников время в Стэнфорде, инженер-химик Женан Бао. Бао и ее коллеги ранее разработали ряд встраиваемых пластмасс с никелевыми наночастицами, которые снижали свою электропроводность, когда их температура повысилась за пределы критической точки. Бао и Кьюи задались вопросом, может ли подобный подход быть использован для повышения безопасности литий-ионных аккумуляторов. В конечном счете, они остановились на идее создания полимерной пленки, чтобы «закрыть» проводимость при температуре выше нормальной рабочей температуры литий-ионной батареи.

Чтобы этого достичь, исследователи использовали наночастицы никеля, которые легко проводят ток, когда они упакованы достаточно плотно, чтобы касаться друг друга. При воздействии химических веществ внутри батареи, такие частицы могут быстро деградировать. Таким образом, ученые покрыли частицы никеля графеном, который также проводящий и предотвращает никель от уничтожения. Затем они встроили свои графен-никелевые частицы в полиэтилен, и получили тонкие и гибкие проводящие пластиковые листы, представляющие собой полиэтиленовую пленку с наночастицами никеля и графена.

Далее, команда включила эти пластиковые листы в обычный литий-ионный аккумулятор. Такие батареи состоят из двух электродов, разделенных электролитом и мембраной, что позволяет ионам лития течь в одном определенном направлении в зависимости от того, что батарея заряжается или разряжается.

Bao, Кюи, и их коллеги помещают их пленку между одним из электродов и коллектором тока. При нормальных рабочих температурах, электричество легко передается через пленку, что позволяет аккумулятору заряжаться и разряжаться. Но когда температура батареи повышается до 70° С, полиэтилен в пленке увеличивается в объеме, толкая никелевые частицы друг от друга.  Это приводит к падению проводимости и остановке движения зарядов в аккумуляторной батарее, тем самым вызывая падение температуры. Более того, как они сообщают в Nature Energy, когда температура батареи падает ниже 70 ° C, полимер возвращается к его исходной конфигурации, возвращая электропроводимость пленки в норму.  Таким образом происходит полное восстановление работы батареи.

Это выглядит как что-то, что может сработать, чтобы предотвратить батареи от перегрева. Тем не менее, только было продемонстрировано, как работает это устройство, когда при нормальном уровне напряжении батареи. Если же несчастный случай приведет к увеличению напряжения, то добавленный пластиковый изолирующий слой будет действовать как резистор, который может привести к росту тепла внутри батареи в точке, где она все еще может загореться. Тем не менее, если он работает, это хорошая идея.

— говорит Винсент Батталья, инженер-химик и эксперт батарей в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в Калифорнии.