Аккумулятор надежно работает при температурах от -40 до 140 градусов по Фаренгейту.
Китайские исследователи разработали революционную натриевую батарею, которая может эффективно предотвратить тепловой разгон, один из самых опасных видов отказов, за счет создания так называемого «умного брандмауэра» внутри элемента.
Исследование проводилось учеными из Китайской академии наук (КАН). Руководителем работы был доктор философии Юн-Шэн Ху, профессор Института физики, специализирующийся на перспективных материалах для натрий-ионных и литий-ионных батарей.
В рамках проекта команда разработала самозащитный негорючий электролит, который физически блокирует тепловой разгон в натрий-ионных батареях. Это стало первым случаем достижения такого уровня безопасности в высокоемкостных элементах.
Исследователи подчеркнули важность электролита. «Мы предлагаем полимеризуемый и негорючий электролит, который использует синергетический эффект сольватации анионов и катионов и подвергается полимеризации, инициируемой термическим воздействием», — заявили они.
Прекращение теплового разгона
Тепловой разгон — это неконтролируемое, самоподдерживающееся и быстро нагревающееся состояние отказа литий-ионных батарей, при котором внутренняя температура повышается более чем на 36 градусов по Фаренгейту (20 градусов по Цельсию) в минуту.
Эта цепная реакция происходит, когда выделение тепла превышает его рассеивание, что приводит к повышению температуры до 572 градусов по Фаренгейту (300 градусов по Цельсию). Затем это вызывает выброс газа, пожар или взрыв.
Это по-прежнему остается серьезной проблемой для электромобилей и крупномасштабных систем хранения энергии. Теперь, чтобы решить эту проблему, китайская команда разработала полимеризующийся негорючий электролит (PNE), который предотвращает перегрев, способный привести к катастрофическому отказу.
По данным исследовательской группы, электролит быстро образует твердый барьер, как только температура элемента превышает 302 градуса по Фаренгейту (150 градусов по Цельсию).
Этот фазовый переход создает физический разделительный слой внутри ячейки и предотвращает передачу тепла. Он останавливает цепную реакцию до того, как она сможет распространиться. Проще говоря, батарея создает свой собственный внутренний барьер именно тогда, когда он наиболее необходим.
«Вместо единой линии защиты жидкий PNE может быстро претерпевать фазовый переход и затвердевать, образуя плотный физический барьер, эффективно прерывая распространение тепла и предотвращая катастрофические пожары или взрывы, обычно связанные с отказом батарей», — пояснили они.
Испытания на высокую температуру
Команда проверила технологию на цилиндрическом натрий-ионном аккумуляторе емкостью 3,5 ампер-часа (Ач) и продемонстрировала полное подавление теплового разгона в этом масштабе.
«Были получены оптимизированные межфазные границы электрод-электролит и сшитый барьер, предотвращающие механические/химические взаимодействия между электродами и препятствующие побочным реакциям/образованию восстановительных газов, что исключает тепловой разгон в элементах емкостью в ампер-часы», — добавила команда.
В ходе стресс-тестов батарея не показала признаков дыма, возгорания или взрыва при прокалывании гвоздем, что является стандартным тестом безопасности, используемым для имитации внутреннего короткого замыкания. Она также оставалась стабильной при температурах до 572 градусов по Фаренгейту, что значительно превышает типичные рабочие пределы.
Результаты показали, что система полностью исключает сбои. Более того, повышение безопасности не снижает производительность батареи. Элемент достигает плотности энергии 211 ватт-часов на килограмм (Вт·ч/кг), что ставит его в конкурентоспособный диапазон для передовых натрий-ионных систем.
Кроме того, он надежно работает в широком диапазоне температур, от -40 до 140 градусов по Фаренгейту (от -40 до 60 градусов по Цельсию), и сохраняет стабильность при напряжении выше 4,3 В.
«Ожидается, что этот прорыв ускорит внедрение натрий-ионных батарей в секторах, где безопасность имеет первостепенное значение, таких как электромобили, большегрузные автомобили и масштабные системы хранения энергии для электросетей, которые быстро развиваются в Китае», — заключили исследователи в пресс-релизе.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Energy.
Sourse: interestingengineering.com
