Работа, которая будет опубликована в выпуске журнала Proceedings of the National Academy of Sciences от 10 февраля, открывает путь к разработке литий-ионной батареи нового поколения, которая не воспламеняется самопроизвольно при высоких температурах. Открытие также может восстановить доверие потребителей к технологии, которая вызвала серьезную озабоченность, а именно после недавних возгораний литиевых батарей в автомобилях Boeing 787 Dreamliner и Tesla Model S.«На эти батареи существует большой спрос и огромная потребность сделать их более безопасными», — сказал Дезимоун, выдающийся профессор химии в Колледже искусств и наук UNC и заслуженный профессор химической инженерии штата Северная Каролина Уильяма Р. Кенана-младшего. Университет и химии в UNC. «Исследователи пытались заменить этот электролит в течение многих лет, но никто никогда раньше не думал использовать этот материал, называемый перфторполиэфиром, или PFPE, в качестве основного материала электролита в литий-ионных батареях».Сегодняшние литий-ионные аккумуляторы питают все, от наших мобильных устройств — телефонов, планшетов и ноутбуков — до гигантских авиалайнеров и подключаемых к электросети электромобилей, но в качестве электролита используется по своей природе легковоспламеняющаяся жидкость.
Ионы лития перемещаются через эту жидкость от одного электрода к другому, когда батарея заряжается. Но когда аккумуляторы чрезмерно заряжены, электролит может загореться, и аккумуляторы могут самопроизвольно воспламениться.
Самовозгорание — это не столько проблема мобильных устройств, которые маленькие и часто меняются, — объясняет Доминика Вонг, аспирантка лаборатории Дезимоуна, которая возглавила проект. Но когда аккумуляторы увеличиваются для использования в электромобилях или самолетах, проблемы с их воспламеняемостью усугубляются, и последствия могут быть катастрофическими.
В прошлом исследователи определили альтернативные негорючие электролиты для использования в литий-ионных батареях, но эти альтернативы поставили под угрозу свойства ионов лития. «Помимо того, что PFPE негорючий, он проявляет очень интересные свойства, такие как перенос ионов», — сказал Вонг. «Это отличает этот электролит от предыдущих открытий».Открытие началось, когда Дезимоун осознал, что PFPE, материал, который он исследовал для Управления военно-морских исследований, чтобы предотвратить прилипание морских обитателей ко дну кораблей, имеет химическую структуру, аналогичную полимерному электролиту, обычно изучаемому для литий-ионных аккумуляторов. . В PFPE нет ничего нового; это полимер, который долгое время использовался в качестве смазочного материала для тяжелых условий эксплуатации, обеспечивающего бесперебойную работу зубчатых передач промышленного оборудования.«Когда мы обнаружили, что можем растворять соль лития в этом полимере, тогда мы решили использовать его», — сказал Вонг. «Большинство полимеров не смешиваются с солями, но этот смешал — и он был негорючим. Это был неожиданный результат».
Сотруднику Ниташу Балсара, старшему научному сотруднику Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и профессору химической и биомолекулярной инженерии в Калифорнийском университете в Беркли, и его команде было поручено изучить перенос литий-ионов в электролите и найти подходящие электроды для сборки батареи. .В будущем команда сосредоточится на оптимизации электропроводности электролита и улучшении циклических характеристик батареи, что необходимо до того, как новый материал сможет быть расширен для использования в коммерческих батареях, объясняет Вонг. В случае успеха коммерческий аккумулятор также можно использовать в чрезвычайно холодных условиях, например, для аэрокосмических и морских операций в открытом море.
«Это действительно хорошая отправная точка для того, чтобы двигаться в разных направлениях и преодолеть разрыв между академическими исследованиями и промышленным масштабированием», — сказал Вонг. «Но самым лучшим было междисциплинарное сотрудничество — возможность работать над научными проблемами с исследователями с разным опытом и знаниями».