РНФ 19-19-00175

(2019-2021)

Аннотация

Необходимость использования в литий-ионных аккумуляторах легковоспламеняющихся органических электролитов вместе с сильными окислителями и восстановителями в составе катодных и анодных материалов может стать причиной возгорания и даже взрыва аккумулятора в случае возникновения нештатных ситуаций в процессе его функционирования. К таким нештатным ситуациям обычно относят перезаряд, переразаряд, внутреннее и внешнее короткое замыкание. Эти процессы приводят к тепловому разгону ЛИА, из-за которого сам аккумулятор может разрушиться и загореться, приведя к разрушению всего изделия в целом и травматизации потребителей, что особенно критично при использовании батарей ЛИА в качестве источников энергии транспортных средств. Возникновение нештатных ситуаций обычно связано внешними факторами, которые достаточно сложно предугадать и предотвратить, поэтому вопросы безопасности решаются при помощи встроенных в изделие электронных систем контроля и управления (СКУ), обеспечивающих механизмы включения/выключения батареи в рабочем режиме и в нештатной ситуации. Недостатком этого подхода является непропорциональное возрастание стоимости СКУ для аккумуляторов высокой мощности из-за необходимости работы с токами в 10-100 кА, а также вероятность отказа самого СКУ. В отличие от электронных систем, химические механизмы защиты обладают большей отказоустойчивостью и лучшей масштабируемостью (поскольку их реализация зависит от плотности тока на единицу поверхности электрода, а не от полного тока в системе). Поэтому создание механизма, решающего вопросы безопасности путём модификации материалов аккумулятора, является актуальной задачей, критичной для развития технологии. Целью проекта является обеспечение размыкания цепи внутри литий-ионного аккумулятора при возникновении нештатных режимов работы. Для этого предлагается создание защитного подслоя между катодным токоотводом и активной массой. Сопротивление этого слоя должно резко возрастать при выходе потенциала катода за пределы окна допустимых значений и/или превышении пороговой температуры, при этом такие изменения должны быть обратимыми. Тогда при возникновении нештатного режима работы аккумулятора катодный материал станет изолированным от токоотвода и дальнейшего развития нештатной ситуации и термического разгона аккумулятора не произойдёт. При ликвидации внешней причины нештатного режима работы (неисправного зарядного устройства, источника короткого замыкания и т.п.) проводимость защитного подслоя восстановится, и аккумулятор будет пригоден для дальнейшего использования. Для достижения поставленной цели проекта будут решены задачи по созданию материалов, обладающих требуемым характером зависимости проводимости от потенциала электрода и температуры, пригодные для нанесения тонких сплошных слоёв на алюминиевые подложки (токоотводы) и стабильные в условиях штатной работы ЛИА. Новизна предложенного подхода заключается в использовании подслоя, обладающего потенциорезистивными свойствами, как способа защиты ЛИА от перезаряда и глубокого разряда, а также в использовании в качестве материала потенциорезистивного подслоя не описанных ранее полимеров.

Повышение безопасности литий-ионных аккумуляторов

На основе данных тестирования электрохимических свойств и состава компонентов литий-ионных аккумуляторов были выявлены факторы, позволяющие продлить их срок службы в условиях нештатных ситуаций при заряде.

Безопасность литий-ионных аккумуляторов является одной из ключевых проблем для развития данной технологии. Наличие в составе устройств активных окислителей и восстановителей вместе с органическим горючим электролитом может привести к самовозгоранию аккумулятора. Одним из факторов, инициирующих такое возгорание, является повышение напряжения при зарядке аккумулятора. В рамках проекта РНФ 19-19-00175, посвященного повышению безопасности аккумуляторов, были исследованы процессы, протекающие внутри аккумуляторов при перезаряде. Полученные результаты будут использованы при разработке химических защитных механизмов для аккумуляторов нового поколения, а также могут послужить основой для создания алгоритмов работы зарядных устройств, уменьшающих риски повреждения аккумуляторов.