Отчасти это связано с тем, что электролит внутри них, который перемещает ионы лития между двумя электродами при зарядке и разрядке аккумулятора, является легковоспламеняющимся.

"Одной из самых больших проблем в аккумуляторной промышленности является проблема безопасности, поэтому требуется много усилий, чтобы создать безопасный электролит для батарей", - сказала Рэйчел Зи Хуанг, аспирантка Стэнфордского университета и первый автор отчета, опубликованного 30 ноября в Иметь значение.

Хуан разработал негорючий электролит для литий-ионных аккумуляторов вместе с 19 другими исследователями из Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики и Стэнфордского университета. Их работа продемонстрировала, что батареи, содержащие этот электролит, продолжают функционировать при высоких температурах, не вызывая пожара.

Их секрет? Еще соли.

Соленая безопасность

Обычные электролиты литий-ионных аккумуляторов изготавливаются из соли лития, растворенной в жидком органическом растворителе, таком как эфир или карбонат. Хотя этот растворитель улучшает производительность батареи, помогая перемещать ионы лития, он также является потенциальным воспламенителем.

Батареи выделяют тепло во время работы. И если в батарее есть проколы или дефекты, она будет быстро нагреваться. При температуре выше 140 градусов по Фаренгейту маленькие молекулы растворителя в электролите начинают испаряться, превращаясь из жидкости в газ и раздувая батарею, как воздушный шар, - до тех пор, пока газ не загорится и все устройство не охватит пламя.

За последние 30 лет исследователи разработали негорючие электролиты, такие как полимерные электролиты, которые используют полимерную матрицу вместо классического раствора соли-растворителя для перемещения ионов. Однако эти более безопасные альтернативы не перемещают ионы так эффективно, как жидкие растворители, поэтому их эффективность не сравнима с эффективностью обычных электролитов.

Команда хотела создать электролит на основе полимера, который мог бы обеспечить как безопасность, так и производительность. И у Хуана появилась идея.

Она решила добавить как можно больше соли лития под названием LiFSI в электролит на полимерной основе, разработанный и синтезированный Цзянь-Ченг Лаем, аспирантом Стэнфордского университета и одним из первых авторов статьи.

"Я просто хотел посмотреть, сколько я могу добавить, и проверить лимит", - сказал Хуан. Обычно менее 50% веса электролита на основе полимера составляет соль. Хуан увеличил это число до 63%, создав один из самых соленых электролитов на основе полимеров за всю историю.

В отличие от других электролитов на основе полимеров, этот также содержал легковоспламеняющиеся молекулы растворителя. Однако общий электролит, известный как негорючий электролит на основе растворителя (БЕЗОПАСНЫЙ), оказался негорючим при высоких температурах во время испытаний в литий-ионной батарее.

БЕЗОПАСНО работает, потому что растворители и соль работают вместе. Молекулы растворителя помогают проводить ионы, в результате чего производительность сравнима с производительностью батарей, содержащих обычные электролиты. Но вместо того, чтобы выходить из строя при высоких температурах, как большинство литий-ионных аккумуляторов, батареи, содержащие SAFE, продолжают работать при температурах между 77-212 градусами по Фаренгейту.

Между тем, большое количество добавленных солей действует как якоря для молекул растворителя, предотвращая их испарение и возгорание.

"Это новое открытие указывает на новый подход к разработке электролитов на основе полимеров", - сказал Чжэнань Бао, профессор Стэнфордского университета и исследователь из Стэнфордского института материалов и энергетических наук (SIMES), который консультирует Хуана. "Этот электролит важен для разработки будущих батарей, которые отличаются высокой плотностью энергии и безопасностью".

Оставаться липким

Электролиты на основе полимеров могут быть твердыми или жидкими. Важно отметить, что растворители и соль в SAFE пластифицируют его полимерную матрицу, превращая ее в липкую жидкость, подобную обычным электролитам.

Одно из преимуществ: клейкий электролит может быть использован в существующих, коммерчески доступных деталях литий-ионных аккумуляторов, в отличие от других негорючих электролитов, которые появились на рынке. Например, в твердотельных керамических электролитах должны использоваться специально разработанные электроды, что делает их производство дорогостоящим.

"С SAFE нет необходимости менять какие-либо производственные настройки", - сказал Хуан. "Конечно, если он когда-либо будет использоваться в производстве, потребуется оптимизация, чтобы электролит поместился в производственную линию, но работы будет намного меньше, чем в любой другой системе".

Йи Цуй, профессор SLAC и Стэнфорда и исследователь SIMES, который также консультирует Хуанга, сказал: "Этот очень интересный новый электролит батареи совместим с существующей технологией литий-ионных аккумуляторов и окажет большое влияние на потребительскую электронику и электротранспорт".

Одним из применений SAFE может быть использование в электромобилях.

Если несколько литий-ионных аккумуляторов в электромобиле расположены слишком близко друг к другу, они могут нагревать друг друга, что в конечном итоге может привести к перегреву и возгоранию. Но, если электромобиль содержит батареи, заполненные электролитом, подобным безопасному, который стабилен при высоких температурах, его батареи можно укладывать плотно друг к другу, не опасаясь перегрева.

В дополнение к снижению риска пожара это означает меньшее пространство, занимаемое системами охлаждения, и больше места для батарей. Большее количество аккумуляторов увеличивает общую плотность энергии, а это означает, что автомобиль может дольше находиться в промежутке между зарядками.

"Так что это не просто преимущество в плане безопасности", - сказал Хуан. "Этот электролит также мог бы позволить вам использовать гораздо больше батарей".

Время покажет, какие другие продукты с батарейным питанием могли бы стать немного безопаснее.

Это исследование финансировалось Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США в рамках программы исследований аккумуляторных материалов и консорциума Battery 500.