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