Литий-ионные аккумуляторы окружают нас повсюду — они есть в смартфонах, умных часах, ноутбуках, планшетах, электромобилях и другой технике. И хотя они могут запасать достаточно много энергии в небольшом объеме, у них есть один серьезный недостаток — при повреждении они могут воспламеняться и даже взрываться, и происходит это не так уж и редко — новости о взрывах аккумуляторов в мобильной технике появляются чуть ли не каждую неделю, а история с Samsung Galaxy Note 7 два года назад облетела весь интернет.
«В литий-ионной батарее тонкий кусок полимерного сепаратора разделяет два электрода», — говорит Габриэль Вейт, доктор философии. «Если батарея повреждена и сепаратор выходит из строя, электроды могут соприкоснуться и привести к возгоранию аккумулятора».
Чтобы сделать батареи более безопасными, некоторые исследователи вместо этого используют негорючий твердый электролит. Но эти твердотельные батареи требуют значительного переоборудования текущего процесса производства, говорит Вейт. В качестве альтернативы его команда предлагает поместить в электролит специальную добавку, чтобы сделать его ударопрочным. Она затвердевает при ударе, предотвращая соприкосновение электродов, если батарея повреждена во время падения или аварии. Если электроды не касаются друг друга, то как бы сильно аккумулятор не был поврежден, он не загорится. Более того, включение добавки в состав электролита потребует лишь незначительных корректировок в обычном процессе изготовления батарей.
«Момент эврики» в проекте произошел в тогда, когда Вейт и его дети играли со смесью кукурузного крахмала и воды, известной как ооблек (неньютоновская жидкость — прим. перев.). «Если вы поместите смесь на противень, то она будет течь, как жидкость, пока вы не попробуете по ней ударить — в этот момент она станет вести себя как твердое тело», — говорит Вейт, который базируется в Национальной лаборатории Ок-Риджа и является главным исследователем проекта. После снятия давления вещество снова разжижается. Вейт понял, что можно использовать это обратимое поведение смеси — «утолщение сдвига» — чтобы сделать батареи более безопасными.
Эта характеристика зависит от коллоида, который представляет собой взвесь мельчайших твердых частиц в жидкости. В случае ооблека коллоид состоит из частиц кукурузного крахмала, растворенных в воде. Для батарейного коллоида Вейт и его коллеги из Ок-Риджа и Рочестерского университета использовали кремнезем, который поместили в обычный жидкий электролит для литий-ионных батарей. При ударе частицы кремнезема слипаются и блокируют возможность для перемещения электролита, объясняет Вейт. Исследователи использовали идеально сферические частицы двуокиси кремния (он же кремнезем — прим. перев.) диаметром 200 нанометров — или, по сути, мельчайший песок. «Если у вас частицы одинакового размера, то они равномерно распределяются в электролите, и он прекрасно работает», — говорит Вейт. «Если они разного размера, то жидкость становится менее вязкой при ударе, что плохо».
Несколько других лабораторий изучают утолщение сдвига, чтобы сделать батареи более безопасными. Одна команда ранее сообщала об исследованиях с так называемой белой сажей (она же пирогенный кремнезем), состоящей из крошечных разноразмерных частиц кремнезема. Другая группа недавно сообщила об аналогичных исследованиях с использованием частиц кремнезема в форме стержней. Вейт считает, что его сферические частицы легче в изготовлении, чем стержневидные, и имеют более быстрый отклик и большую останавливающую способность при ударе, чем белая сажа.
Добавление порошкообразного диоксида кремния (в синем контейнере) к полимерному слою (белый лист), который разделяет электроды внутри тестовой батареи (золотой мешок), предотвратит возгорание литий-ионных батарей.
Одним из основных достижений Вейта является разработка процесса производства новых батарей. Во время производства традиционных литий-ионных аккумуляторов электролит в конце производственного процесса впрыскивается в кожух батареи, а затем она герметизируется. «Вы не можете проделать это с новым электролитом, потому что как только вы попытаетесь его ввести, он затвердеет», — говорит он. Исследователи решили эту проблему, поместив кремнезем на место перед добавлением электролита. Теперь они собираются получить патент на свою технологию.
В будущем Вейт планирует улучшить систему, чтобы та часть батареи, которая была повреждена при аварии, оставалась твердой, а оставшаяся часть батареи продолжала работать. Команда изначально нацелена на использование таких аккумуляторов в квадракоптерах, но в конечном итоге они хотели бы выйти и на автомобильный рынок. Они также планируют сделать большую версию батареи, которая могла бы остановить пулю. Это может принести пользу солдатам, которые часто несут 20-килограммовые бронежилеты и батареи, когда они находятся на задании, говорит Вейт. «Аккумулятор будет функционировать как броня, и это облегчит вес среднего солдата примерно на 10 килограммов».