РНФ №22-19-35050 (продление проекта №19-19-00175)

(2022-2023)

Аннотация

Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) являются одной из важнейших технологий для создания накопителей энергии, электрического транспорта и бытовой электроники. Не смотря на снижение стоимости запасаемой в них энергии и значительный рост областей применения ЛИА, проблема безопасности систем на их основе остаётся не менее актуальной, чем в момент выхода этой технологии на рынок. Хотя производители ЛИА утверждают, что их аккумуляторы безопасны, использование в этих системах активных окислителей и восстановителей вместе с органическими электролитами несёт в себе риск возгорания и взрыва. Например, Комиссия США по безопасности потребительских товаров сообщила о 25 тысячах случаев возгорания литий-ионных аккумуляторов в различных устройствах за период с 2012 до 2018 года. Для снижения риска возгорания производители применяют внутренние и внешние способы защиты аккумуляторов. К внешним относится электронная система контроля и управления (СКУ), которая следит за состоянием каждого аккумулятора и батареи в целом, внутренние способы защиты основаны на функционализации составных частей аккумулятора (электролит, электроды, сепаратор) и направлены на замедление или остановку теплового разгона на определенной стадии его развития. В Проекте 2019 был предложен новый способ защиты, позволяющий максимально полно обезопасить литий-ионные аккумуляторы. Впервые была предложена концепция потенциорезистивного защитного подслоя, тонкой плёнки материала переменного сопротивления, помещенной между алюминиевым токоподводом и активной массой катода. Принцип защитного действия подслоя основан на явлении потенциорезистивного перехода, когда пленка резко увеличивает свое сопротивление при переходе через пороговое значение приложенного к электроду напряжения. За пределами диапазона проводимости, то есть при перезаряде или переразряде ячейки, сопротивление подслоя резко повышается, обеспечивая защитную функцию от перезаряда и короткого замыкания. Были предложены составы материалов для формирования подслоёв, обеспечивающих защиту аккумуляторов на основе феррофосфата лития, и предложена схема формирования защитных подслоёв методом окислительной электрополимеризации. Однако на основе анализа полученных результатов были выявлены новые задачи, решение которых необходимо для усовершенствования разработанной технологии нанесения защитного подслоя, а также для адаптации характеристик подслоя под электродные материалы высоковольтных ячеек. Первая задача вытекает из многостадийности электрохимического процесса нанесения полимеров на алюминиевый токоподвод. Предложенный процесс несёт в себе определенные риски повреждения материала, демонстрирует низкую производительность и высокие требования к реактивам, гальванической ванне и атмосфере над электролитом. Поэтому в проекте 2021 предлагается замена гальванической технологиии на механическое нанесение полимера, для чего будет выполнена разработка химического метода получения электроактивного полимера, который является оптимальным материалом для защиты аккумуляторов с низковольтными катодными материалами, стабилизация частиц полимера в виде суспензии, пригодной для механического нанесения, а также отработка технологии покрытия алюминиевой фольги с использованием этой суспензии. Вторая задача проекта возникает в связи с тем, что потенциорезистивные характеристики найденных в ходе выполнения предыдущего этапа проекта полимеров не подходят для создания мощных высоковольтных аккумуляторов на основе литированного оксида кобальта и смешанных оксидов из-за слишком узкого диапазона проводимости. В связи с этим планируется поиск и исследование новых потенциорезистивных полимеров, потенциорезистивные характеристики которых позволили бы использовать их для защиты ячеек с высоковольтными катодными материалами. Класс химических соединений, составляющий основу для такого поиска, сформирован в ходе реализации Проекта 2019. Таким образом, в рамках Проекта 2022 работа будет вестись по двум направлениям (химический синтез и получение стабильных суспензий полимерных материалов и синтез и характеризация новых потенциорезистивных полимеров), каждое из которых обладает абсолютной новизной как в синтетическом плане, так и с точки зрения ожидаемых результатов по установлению зависимости свойств полимеров от их структуры.

Ожидаемые результаты

В результате выполнения проекта будет:

Впервые разработан методов химического получения полимеров на основе комплексов никеля с лигандами саеленового типа и предложена технология формирования на их основе защитных слоёв для применения в аккумуляторах на основе феррофосфата лития,
Будет выполнен дизайн новых классов полимеров для защиты мощных аккумуляторов на основе высоковольтных катодных материалов,
Будут изготовлены макеты аккумуляторов на основе коммерчески доступных катодных материалов, модифицированных защитными полимерными подслоями, и продемонстрирована эффективность таких слоёв для защиты от перезаряда, внутреннего и внешнего короткого замыкания.

Научная значимость ожидаемых результатов определяется планируемым проведением большого объема исследований в областях органического синтеза, полимерного синтеза, электрохимии и испытания аккумуляторов. В ходе работы будут выявлены новые фундаментальные закономерности, относящиеся к синтезу и свойствам редокс-проводящих полимеров, которые могут быть использованы не только при создании ЛИА, но и при разработке суперконденсаторов, органических аккумуляторов, сенсоров, органической электроники, а также в других областях применения проводящих полимеров. С использованием синтезированных материалов будет разработан состав и получена технология нанесения защитных покрытий электродов ЛИА, обеспечивающий отказоустойчивость и безопасность аккумуляторов при возникновении нештатных ситуаций. Это определяет практическую значимость результатов проекта. Поскольку предложенный метод защиты достаточно универсальный, и требует минимального изменения структуры аккумулятора, он может быть внедрён как на линиях производства аккумуляторов в качестве отдельной стадии производственного процесса, так и на отдельных предприятиях, которые могут выпускать защищенные токоподводы (алюминиевую фольгу с защитным подслоем) в качестве уникального продукта для реализации производителям аккумуляторов.