Китайські вчені створили батарею, яка просто не може загорітися

Вчені Китайської академії наук запропонували підхід, який може радикально спростити завдання: створити батареї, які практично не здатні загорітися, пише New Atlas.

Йдеться про нову конструкцію натрій-іонного акумулятора, в якому використовується негорючий електроліт, що полімеризується. Його ключова особливість у тому, що при екстремальному нагріванні він швидко твердне і утворює всередині елемента міцний захисний бар'єр, фактично блокуючи розвиток небезпечних процесів.

Проблема теплового розгону давно вважається однією з головних загроз у сфері акумуляторів, особливо літій-іонних систем, де застосовуються рідкі горючі електроліти. Зі зростанням популярності електромобілів вона стала ще більш актуальною, оскільки йдеться про батареї великої ємності.

Що таке тепловий розгін

Тепловий розгін являє собою ланцюгову реакцію, що самоприскорюється: при досягненні критичної температури хімічні процеси всередині батареї починають виділяти все більше тепла, яке, у свою чергу, прискорює реакції. В результаті температура може за лічені хвилини або навіть секунди піднятися до 700–1000 °C, що призводить до пожеж, вибухів та виділення токсичних газів.

Ситуацію посилює те, що такі батареї можуть самі виділяти кисень під час реакції, через що традиційні засоби пожежогасіння часто виявляються неефективними. Зазвичай залишається лише дочекатися повного вигоряння. Спровокувати цей процес можуть пошкодження, перегрів, перезаряд, виробничі дефекти, контакт із солоною водою або зовнішнє займання.

При цьому, незважаючи на природу явища, що лякає, ймовірність самозаймання електромобіля через дефект батареї залишається вкрай низькою — близько 0,0012%, згідно з даними EV FireSafe. Такий рівень безпеки досягається за рахунок складної інженерії та багаторівневого захисту.

Яке придумали рішення

Команда під керівництвом професора Ху Юнчена заявила про досягнення першого у світі ефекту «нульового теплового розгону» на рівні ампер-годинних натрій-іонних батарей. Паралельно, за даними BAIC, розробляється версія акумулятора із зарядкою приблизно за 11 хвилин.

Створення батарей загалом вимагає багаторічної роботи: від розробки хімії осередків до проектування електричної архітектури, за яким слідують точне виробництво та численні етапи випробувань. Додатково використовуються системи моніторингу, охолодження, аварійного відключення та захисту, що робить процес вкрай дорогим та складним.

На цьому тлі запропонована технологія виглядає особливо значущою. Новий акумулятор фактично містить вбудований «розумний протипожежний бар'єр». На відміну від традиційних літій-іонних систем, де використовуються горючі органічні карбонати (наприклад, етиленкарбонат, диметилкарбонат і діетилкарбонат), тут застосовується натрій-іонна хімія з негорючим електролітом, що полімеризується (PNE).

При нагріванні утворює захист

При нагріванні вище приблизно 150 ° C електроліт швидко проходить фазовий перехід і твердне, утворюючи щільну внутрішню перегородку. Цей бар'єр зупиняє поширення тепла та розриває ланцюгові реакції, які зазвичай призводять до аварій.

У дослідженнях, опублікованих у Nature Energy, зазначається, що батарея витримала зовнішнє нагрівання до 300 °C без запуску теплового розгону. Крім того, вона пройшла тест на прокол цвяхом, що імітує внутрішнє коротке замикання, зберігши цілісність. При цьому зберігалася питома енергоємність близько 211 Вт·ч/кг, а робочий діапазон температур становив -40 до +60 °C.

Дослідники пояснюють, що замість традиційного багаторівневого захисту тут працює вбудований фізико-хімічний механізм: електроліт перетворюється на твердий "файрвол", який зупиняє розвиток аварійного сценарію на ранній стадії.

Головна перевага натрій-іонних систем - вища термічна стабільність порівняно з літій-іонними аналогами. Вони використовують менш реактивні матеріали, що знижує ймовірність неконтрольованих реакцій. Однак у технології є і компроміс: менша енергетична густина означає, що такі батареї зберігають менше енергії при тому ж обсязі.

Тим не менш, це вважається прийнятною платою за значне зростання безпеки. Додатковий плюс - пасивний характер захисту: системі не потрібні датчики або активне охолодження для запобігання пожежі, хімія сама виконує роль запобіжника.

Крім того, підвищена безпека дозволяє зменшити вагу та вартість захисних корпусів батарейних блоків, що потенційно здешевлює виробництво електромобілів.

За даними HiNa (Zhongke Haina), дочірньої структури інституту, паритет за вартістю між натрій-іонними та літій-іонними батареями може бути досягнутий приблизно до 2027 року, а до 2028 року очікується перетин цінових діапазонів у міру масштабування виробництва. Вже зараз випробування на важких вантажівках показують зниження енергоспоживання приблизно на 15% та збільшення запасу ходу близько 20%, повідомляє CarNewsChina.

У той же час у технології є важливий нюанс: після спрацьовування захисного механізму електроліт твердне незворотно, блокуючи рух іонів і фактично виводячи комірку з ладу. Іншими словами, батарея перестає працювати і потребує заміни чи ремонту модуля.

Однак у контексті систем безпеки це вважається допустимим компромісом: краще повна зупинка роботи, ніж ризик пожежі. Передбачається, що такі ситуації будуть рідкісними, оскільки робочі температури експлуатації значно нижчі від порога спрацьовування.

Незважаючи на інновації, система охолодження, як і раніше, необхідна, оскільки батареї в звичайному режимі все одно виділяють тепло, а перегрів може впливати на термін служби та ефективність.

Проте, розробка сприймається як потенційно проривна як для електромобілів, а й у будь-яких пристроїв, використовують акумулятори — від стаціонарних накопичувачів енергії до портативної електроніки.

Раніше ми писали, що PlayStation 6 може отримати сумісність із іграми для PS5 та PS4.

"Знай" також розповідав, що онлайн-ігри позитивно впливають на творчі здібності.

Крім того, писали, як часто потрібно перезавантажувати мобільний телефон.