Litiumjonbatteriets brandfaror är omfattande över hela världen och sådana fel kan ha allvarliga konsekvenser för både smartphones och elbilar, säger chefen för gruppen och professor vid Institutionen för elektrokemi vid St Petersburg University Oleg Levin. "Från 2012 till 2018, 25, Endast 000 fall av eldning av ett brett spektrum av enheter i USA rapporterades. Tidigare, från 1999 till 2012, endast 1, 013 fall rapporterades. Antalet brandincidenter ökar liksom antalet batterier som används, " han sa.

Bland de främsta orsakerna till att litiumjonbatterier tar eld eller exploderar är överladdning, kortslutning, och andra. Som ett resultat, batteriet är överhettat och battericellen går in i termisk skenning. Ökning av temperaturen upp till 70 eller 90 ° C kan leda till farliga kemiska reaktioner som kan leda till ytterligare temperaturökning och följaktligen brand eller explosion. För att batterierna inte ska fatta eld kan vi använda en angränsande enhet, dvs en elektronisk mikrokrets. Den spårar alla parametrar för batteriet och kan stänga av batteriet i nödfall. Ändå berodde de flesta brandincidenterna på fel i de elektroniska mikrokretsarna som orsakades av tillverkningsfel.

"Det var därför det var särskilt viktigt att utveckla en säkerhetsstrategi för batteriet baserat på de kemiska reaktionerna för att blockera flödet av elektrisk ström inuti batteriet. För detta ändamål, vi föreslår att använda en speciell polymer. Dess elektriska konduktivitet kan anpassa sig till spänningsfluktuationerna i batteriet. Om batteriet fungerar normalt, polymeren hindrar inte den elektriska strömmen från att flöda. Om batteriet är överladdat, det finns en kortslutning, eller batterispänningen sjunker under normala driftsnivåer, polymeren går in i en så kallad isolator, strömbrytare, läge, sa professor Levin.

Det finns polymerer som kan ändra motstånd vid uppvärmning, säger professor Levin. Problemet vi mötte när vi använde denna teknik, inklusive i företagen i Sankt Petersburg, var om polymeren börjar fungera som isolator, det betyder att batteriet redan har överhettats vilket har resulterat i farliga processer som inte kan stoppas genom att bara bryta den elektriska kretsen. Detta gör att denna teknik långt ifrån är effektiv. Ändå genererade sådana framsteg intressen för att söka ny teknik, inklusive polymeren som kommer att kunna justera spänningen innan batteriet börjar överhettas.

"Jag samarbetade med Evegenii Beletskii, min doktorand vid Institutionen för elektrokemi, som arbetat inom industrin. Han har lång erfarenhet av att utveckla batterisäkerhetssystem. Detta hjälpte oss mycket att genomföra den experimentella delen av projektet som fokuserade på hur polymeren fungerade. Anna Fedorova, doktorand vid Institutionen för elektrokemi, arbetade även inom industrin. I projektet, hon var främst bekymrad över beräkning av materialets fysikaliska och kemiska egenskaper, sa Oleg Levin.

Projektet varade i två år. Under de sex åren innan projektet startade för att utveckla tekniken, forskarna hade genomfört grundforskning för att studera de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos ett brett spektrum av polymerer. De upptäckte en klass av polymerer som ändrar motstånd med spänning. Detta var vad forskarna fokuserade på.

"Den svåraste delen i utvecklingen av den" kemiska säkringen "var att hitta en aktiv polymer. Vi kände en mängd olika polymerer av denna klass. Men att välja den som skulle vara lämplig för att skapa en prototyp var en svår nöt att knäcka, "sade Levin." Dessutom, vi var tvungna att avancera tekniken genom att utveckla en industriell version för att visa att vi hade kommit på en idé om effektiv batterisäkerhetsstrategi. Således, vi var tvungna att köpa en massa ny utrustning för prototyper och justeringstekniker för att arbeta med litiumjonbatterier. "

Det som gör denna säkerhetsteknik annorlunda är hög skalbarhet. Till exempel, hur stor den traditionella justeringsskyddskretsen beror på hur kraftfullt batteriet är. Därför, schemat för elbils drivkraftbatterier blir både stort och kostsamt. Det är enkelt att skala den 'kemiska säkringen' eftersom den appliceras över hela ytan på den inre strömkollektorn.

"Litiumjonbatterier använder olika typer av katoder, dvs. positivt laddade elektroder genom vilka elektroner kommer in i en elektrisk anordning. De har olika arbetsspänning. Således, en säkerhetspolymer bör reagera därefter. Vi har lyckats hitta en polymer som skulle vara lämplig för endast en typ av batteri, det är ett litiumjärnfosfatbatteri. Ändring av polymerens struktur kan leda till att dess konduktivitet ändras för att göra den lämplig för andra typer av katoder som finns på marknaden idag. Vi har några tankar om hur man kan göra denna säkerhetsstrategi mer universell genom att lägga till en säkerhetskomponent i polymeren för att anpassa sig till förändringar i temperaturnivåer i batteriet. Detta förväntas eliminera alla brandrisker i samband med batterierna, sa Oleg Levin.

Innan du publicerar artikeln, Sankt Petersburgs universitet fick patent på denna teknik. Forskarna förbereder för närvarande en verklig modell av skyddade batterier för att demonstrera dem för potentiella investerare.