Литиевые металлические батареи обладают колоссальным энергетическим потенциалом: они способны хранить в десять раз больше энергии, чем традиционные литий-ионные элементы. Это делает их перспективными для использования в электромобилях, медицинских приборах и портативной электронике. Однако их широкое распространение сдерживается одной серьёзной проблемой — риском возгорания и взрыва.
Ключевая причина нестабильности литиевых металлических батарей кроется в их химическом составе. Они используют аноды из металлического лития и катоды на основе никельсодержащих оксидов. При нагреве эти компоненты могут выделять легковоспламеняющиеся газы. Даже незначительное повышение температуры способно привести к неконтролируемой цепной реакции, заканчивающейся возгоранием или взрывом.
Встроенное средство пожаротушения
Учёные из Института химии Китайской академии наук предложили решение: батарея с интегрированным огнеупорным элементом. Исследователи встроили специальный полимер непосредственно в катод батареи. При нормальной работе он остаётся стабильным, но при достижении температуры выше 100 °C начинает разлагаться, высвобождая химически активные радикалы. Эти вещества подавляют реакции на аноде, которые обычно приводят к образованию воспламеняющихся газов.
Таким образом, полимер действует как миниатюрный встроенный огнетушитель, активирующийся при перегреве.
Для проверки эффективности своей разработки исследователи провели эксперимент, сравнив прототип батареи с огнеупорным полимером и обычную литиевую металлическую батарею. Обе модели нагревали с 50 °C.
На отметке 100 °C начался перегрев обоих образцов. Однако только прототип активировал защитную функцию. При дальнейшем нагреве до 120 °C различие стало очевидным: обычная батарея достигла температуры 1000 °C и воспламенилась всего через 13 минут. В то же время прототип разогрелся максимум до 220 °C и не загорелся.
Новый стандарт безопасности
Исследователи отмечают, что их «интеллектуальная стратегия управления газами» не только повышает термическую безопасность, но и улучшает стабильность батареи при эксплуатации. Это может открыть путь к более безопасному использованию литиевых металлических аккумуляторов в широком спектре применений.
Особую значимость инновация имеет для электромобилей, где безопасность аккумуляторов остаётся одним из главных факторов, сдерживающих массовое внедрение. Кроме того, предлагаемое решение совместимо с существующими производственными технологиями — для его внедрения нужны лишь незначительные модификации производственной линии. Это даёт шанс на быстрое масштабирование и коммерческое использование.
Хотя литиевые металлические батареи пока используются ограниченно, новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, демонстрирует путь к расширению их применения. Если удастся совместить высокую энергоёмкость с встроенной системой пожаротушения, батареи будущего смогут обеспечить как производительность, так и спокойствие пользователей.
