Литий-ионные батареи горят редко, но опасно: учёные предложили быструю доработку

Литий-ионные аккумуляторы стоят почти во всей современной электронике — от смартфонов до электромобилей. В нормальных условиях они безопасны, но тысячи инцидентов с возгораниями уже задокументированы, иногда с тяжёлыми последствиями.

Фото: Generated by AI (DALL·E 3 by OpenAI) is licensed under Free for commercial use (OpenAI License)

Замена батареи у электрокара

Проблема связана с тем, что внутри таких батарей находится легковоспламеняющийся жидкий электролит (раствор солей лития в органических растворителях). При проколе, перезаряде, перегреве, дефектах производства или механическом повреждении аккумулятор может войти в режим теплового разгона: реакции самоподдерживаются, выделяя всё больше тепла, и это приводит к пожару, сообщает CNN.

Почему это особенно критично для авиации и городов

В авиации риск усиливается тем, что гаджетов и пауэрбанков много, а пожар в салоне или грузовом отсеке может быстро стать неконтролируемым. В США FAA давно запрещает перевозить запасные литий-ионные батареи в зарегистрированном багаже и требует, чтобы устройства в салоне оставались доступными, чтобы экипаж мог быстро вмешаться при перегреве.

Похожая уязвимость есть и на земле: электровелосипеды и электросамокаты регулярно становятся источником бытовых пожаров. Также инциденты фиксируют предприятия — искрение, воспламенение и даже взрывы аккумуляторов.

"Разорвать компромисс" между мощностью и безопасностью

Многие решения по повышению безопасности предлагают заменить жидкий электролит на твёрдый или гелевый — но это требует серьёзной перестройки производства, и потому внедряется медленно.

Команда исследователей из Китайского университета Гонконга предложила путь проще: не менять конструкцию элемента и линии сборки, а заменить химический состав электролита так, чтобы он "переключался" в зависимости от температуры.

Идея, которую описывает одна из авторов (Юэ Сан), в том, что обычно инженеры вынуждены выбирать:

• максимальная производительность - оптимизация процессов при комнатной температуре;

• максимальная безопасность - контроль реакций при высоких температурах.

Новый электролит, по их задумке, должен сохранять эффективность в обычном режиме, но срабатывать как тормоз при перегреве.

Как это работает

В растворе используются два растворителя:

• первый стабилизирует химию батареи при комнатной температуре и поддерживает нормальную работу;

• второй активнее проявляет себя при нагреве и подавляет цепную реакцию, которая ведёт к тепловому разгону (по сути — "гасит" опасные процессы, замедляя их).

Результаты испытаний: прокол гвоздём без пожара

В лабораторном тесте на проникновение (прокол гвоздём) аккумулятор с новым электролитом нагрелся всего примерно на 3,5 °C, тогда как стандартный элемент разогрелся до 555 °C.

Авторы также заявляют, что это не ухудшило ресурс: после 1000 циклов заряд-разряд батарея сохраняла более 80% ёмкости.

Профессор И-Чун Лу (соавтор работы) подчёркивает главный прикладной плюс:
электролит — жидкость, значит его можно "влить” в существующий элемент, без закупки нового оборудования и перестройки процесса, в отличие от изменений в электродах и других твёрдых компонентах.

Что дальше: коммерциализация и масштабирование

Новый состав немного увеличит себестоимость, но при массовом выпуске она, по оценкам разработчиков, будет близка к нынешней. Команда говорит о переговорах с производителями и оценивает вывод на рынок в горизонте нескольких лет.

Пока испытания выполнены на формате батареи, сопоставимом по мощности с источником питания для планшета. Чтобы выйти на уровень электромобилей, потребуется отдельная проверка совместимости и масштабирование дизайна.

Внешние специалисты, не участвовавшие в исследовании, в целом оценили подход позитивно: отмечают, что "стратегически подобранный электролит" может быть относительно легко внедрён и при этом не должен резко ухудшить срок службы — при условии, что не всплывут проблемы совместимости материалов при обработке и в реальных режимах эксплуатации.