Литиевые аккумуляторы научатся самостоятельно предупреждать о риске короткого замыкания и теплового разгона

Специалисты Института химии Китайской академии наук создали композитный твёрдый электролит, который улавливает зарождение литиевых дендритов внутри аккумулятора. Он подаёт предупреждающий сигнал ещё до того, как возникнет опасное короткое замыкание. Эта разработка должна сделать литиевые аккумуляторы безопаснее, а системы мониторинга их состояния — эффективнее.

Литиевые дендриты — это древовидные наросты, которые формируются на поверхности лития в циклах зарядки и разрядки. Постепенно разрастаясь, они прорастают сквозь электролит и добираются до противоположного электрода. Это приводит к внутреннему короткому замыканию и может спровоцировать тепловой разгон. Современные системы защиты опираются главным образом на внешние датчики температуры и давления, поэтому локальные дефекты на ранней стадии остаются для них практически незаметными.

Группа под руководством Го Юйго из лаборатории молекулярных наноструктур и нанотехнологий предложила возложить на твёрдый электролит сразу две задачи: переносить ионы лития и напрямую выявлять дендриты. Идеей для разработки послужил механизм биологических нейронов, которые превращают электрохимические сигналы в электрические.

Композит состоит из наночастиц неорганического твёрдого электролита, играющих роль чувствительных элементов, и полимерного электролита, выполняющего функцию защитного слоя. Благодаря такой структуре ионы лития свободно перемещаются, а неорганические компоненты в штатном режиме работы не контактируют с металлическим литием.

Когда дендриты пробивают полимерный слой и достигают неорганических частиц, на границе материалов запускается химическая реакция. Она превращает локальное проникновение дендрита в измеримый электрический сигнал. Как показало исследование, композитный электролит формирует отчётливый внешний сигнал напряжения до наступления серьёзного внутреннего короткого замыкания.

Так материал открывает путь от пассивного сдерживания роста дендритов к их активному обнаружению. На его основе можно создавать аккумуляторы со встроенной системой раннего оповещения об опасных процессах внутри ячеек. Особенно востребованным это станет в электротранспорте и крупных накопителях энергии, где внутреннее короткое замыкание способно привести к тяжёлым, а порой и трагическим последствиям.