Новейшая технология, разработанная в Мичиганском университете (U-M), призвана предотвратить пожары по вине возгораний аккумуляторов, подобные тем, что спустили с неба на землю флот Боингов 787 Dreamliner в 2013 г.

Суть инновации, о которой рассказано в номере Nature Communications за 27 января — в прочном барьере между электродами литий-ионной батареи. Он сделан из нановолокон кевлара, материала, используемого в пуленепробиваемых жилетах, и препятствует разрастанию металлических «щупалец», которые служат нежелательными проводниками электрического тока, способными вызывать короткое замыкание.

Коллектив создателей из U-M также учредил компанию Elegus Technologies. Она базируется в Анн-Арбор (штат Мичиган) и займется выводом новой технологические процессы из лаборатории на рынок. Массовый производство батарей с кевларовым барьером-сепаратором, по плану, должен начаться в IV квартале следующего года.

«В отличие от других сверхпрочных материалов, подобных как углеродные нанотрубки, кевлар считается изолятором, — пояснил профессор Николас Котов (Nicholas Kotov). — Это свойство идеально для сепараторов, нужных для этого, чтобы предотвращать короткое замыкание двух электродов».

Литий-ионные батареи работают, перенося ионы лития с одного электрода на другой. Это создает зарядовый дисбаланс, а так как электроны не могут проникать сквозь мембрану между 2-мя электродами, они путешествуют окольным путем посредством внешнюю электрическую цепь, производя полезную работу.

Но если отверстия в мембране слишком велики, литиевые ионы могут образовывать ветвистые структуры, называемые дендритами, которые растут и, в конечном итоге, пронизывают мембрану. В случае, если они достигают другого электрода, создается путь для электронов внутри самой батареи — происходит короткое замыкание. Именно это, по официальной версии, могло послужить причиной серии инцидентов на авиалайнерах.

Вершина дендрита включает диаметр только несколько нанометров и очень важно, чтобы поры в материале сепаратора были еще меньше. В большинстве распространенных мембран поры имеют масштабы порядка нескольких сот нанометров, но в кевларовом барьере, созданном в U-M, они не превышают 15-20 нм в поперечнике. Этого довольно, чтобы пропускать литиевые ионы, но блокировать продвижение 20-50-нанометровых верхушек дендритных структур.

Мембрана из кевлара способен быть очень тонкой, это дает возможность получать больше энергии от батареи не увеличивая габариты последней, либо совершить ее более компактной без ущерба для работоспособности. Еще одним достоинством кевлара считается термостойкость, увеличивающая шансы батарей пережить пожар.

Около трех десятков компаний уже запросили образцы новейшего мембранного материала. Сами ученые в настоящее время ищут способы дополнительно увеличить поток свободных литиевых ионов посредством барьер: это позволит батареям скорее разряжаться и восполнять заряд.
Новости науки >>