Механизм взрыва литиевых аккумуляторов удалось подавить

Химики из США выяснили, как внутри литиевых аккумуляторов возникают так называемые "усы" - микроскопические нити из металлического лития, которые вызывают короткие замыкания и провоцируют взрыв батареи. Это поможет создать полностью безопасные батареи, пишут ученые в журнале Nature Nanotechnology.

"Мы не просто хотели подавить рост отдельных "усов", а понять, что именно порождает их, и ликвидировать общую причину их появления. Я надеюсь, что наше открытие заставит все сообщество иначе взглянуть на эту проблему и найти новые пути для борьбы с ней", - заявил один из авторо работы, Чунминь Ван из Северо-западной Национальной лаборатории в Ричланде (США).

Современные аккумуляторы состоят из трех частей - катода, анода и электролита. Первый играет роль положительного полюса и источника энергии, второй - отрицательного полюса и "изымателя" тока, а электролит позволяет носителям заряда передвигаться между катодом и анодом. Мощность аккумуляторов напрямую зависит от состава катода, а их долговечность - от того, как сильно разрушается материал электролита и катода при циклах разряда-заряда.

От устройства всех компонентов батареи зависит и то, насколько они опасны для человека. К примеру, многие типы современных литий-ионных аккумуляторов взрываются из-за того, что при перегреве внутри них начинают возникать короткие замыкания. Они еще больше нагревают аккумулятор, испаряют электролит, превращая его в пузырьки горячего газа.

Эта своеобразная цепная реакция раскаляет внутренности бывшей батареи до температуры примерно в тысячу градусов Цельсия. В конечном итоге скапливающийся газ разрывает корпус аккумулятора на части и происходит взрыв, выбрасывающий расплавленное содержимое батареи наружу. В результате телефон или другой гаджет повреждаются и могут нанести тяжелые увечья его владельцу.

Все эти процессы, как объясняет Ван, связаны с формированием так называемых "усов" - тонких и очень длинных нитей из чистого металлического лития, которые могут проникать через электролит и барьер между катодом и анодом. В некоторых случаях они соединяют их между собой, формируя короткое замыкание и порождая все те реакции, которые ведут к взрыву аккумулятора.

Батарея с "усами"

Как именно формируются "усы", ученые не знали, так как у них не было возможности заглянуть внутрь батареи и проследить за тем, что изменяется в ее структуре непосредственно перед началом цепной реакции и выходом аккумулятора из строя. Американские химики смогли решить эту проблему, создав своеобразную "нанобатарейку", в которой роль анода играло жало атомно-силового микроскопа, а катода - кусочек металлического лития.

Пропуская ток через анод и поднимая его, ученые одновременно решали две задачи - они помогали литиевым "усам" на катоде формироваться и заставляли их расти в сторону жала атомно-силового микроскопа. Кроме того, исследователи изучали структуру этих металлических нитей и наблюдали за манерой их роста.

Эти опыты помогли ученым раскрыть несколько важных особенностей этого процесса, которые нужно учитывать при создании действительно полностью безопасных литий-ионных батарей, а также первых полноценных аккумуляторов на базе чистого металлического лития.

К примеру, химики обнаружили, что "усы" растут очень быстро, двигаясь со скоростью 250 нанометров в секунду в сторону противоположно заряженного электрода. Между тем место их формирования и манера движения сильно зависели от структуры кристаллов лития, наличия соединений углерода в электролите и устройства поверхности самих электродов. Знание этих особенностей, как отмечает Ван, позволяет предсказывать манеру роста "усов" и предотвращать их контакт с анодом или катодом.

Пользуясь этими сведениями, ученые смогли подавить формирование "усов", добавив в электролит циклогексанон, слаботоксичное соединение кислорода и бензола с ароматом мяты. Дальнейшие наблюдения за ростом нанонитей из лития, как надеются химики, помогут подобрать более эффективные способы борьбы с ними и создать действительно безопасные аккумуляторы.

-------------------------------------------------------------------

Хотите оперативно узнавать о выходе других полезных материалов на сайте "ГИС-Профи"?
Подписывайтесь на нашу страницу в Facebook.
Ставьте отметку "Нравится", и актуальная информация о важнейших событиях в энергетике России и мира появится в Вашей личной новостной ленте в социальной сети.