Опасность возгорания электромобильных литиевых батарей широко известна. Эти пожары возникают чаще всего в тех случаях, когда батареи перегреваются или слишком быстро разряжаются из-за высокой скорости машины.
И учитывая, что с каждым годом электрокаров на дорогах становится все больше, необходимо на технологическом уровне ликвидировать эту опасность. Исследователи Чикагского инженерного колледжа университета Иллинойса опубликовали в журнале Advanced Functional Materials результаты своей работы, которые могут решить проблему.
Аккумуляторы разогреваются до пожароопасных температур из-за скоростной езды, когда батарея очень интенсивно разряжается, или на сверхбыстрых зарядных станциях, когда аккумулятор интенсивно заряжается, отмечает издание Science Daily.
В этих условиях катод внутри батареи, который в большинстве литиевых батарей изготовлен из литийсодержащего оксида (обычно – литий-кобальтовый оксид), начинает разрушаться и выделяет кислород. Если кислород соединяется с другими легковоспламеняющимися продуктами, выделяющимися при разложении электролита при достаточно высокой температуре, может произойти самовозгорание.
«Мы подумали, что, если есть способ предотвратить выделение катодом кислорода и его смешивание с другими легковоспламеняющимися продуктами в батарее, мы можем уменьшить вероятность возникновения пожара», – говорит Реза Шахбазян-Яссар, доцент кафедры механики.
Идеальное решение проблемы обеспечил материал, с которым ученые хорошо знакомы – это графен, сверхтонкий слой атомов углерода с уникальными свойствами. Шахбазиан-Яссар и его коллеги ранее использовали графен, чтобы помочь модулировать накопление лития на электродах в литий-металлических батареях.
Исследователь и его коллеги знали, что графеновые листы непроницаемы для атомов кислорода. Графен также прочен, гибок и его можно сделать электропроводящим. Шахбазиан-Яссар и Сорош Шарифи-Асл, аспирант кафедры машиностроению и промышленного инжиниринга и ведущий автор статьи, предположили, что, если литий-кобальт-оксидный катод будет «обернут» слоем графена, это предотвратит выделение кислорода.
В результате, поместив графеновую оболочку на катод и проведя серию тестов, ученые убедились, что выделение кислорода при сильном нагревании значительно снизилось. Затем они изготовили рабочий катод с оболочкой и поместили его в литий-ионную батарею. И даже после 200 циклов быстрой зарядки-разрядки в аккумуляторе почти не оказалось свободного кислорода.
«Графен является идеальным материалом для блокирования выделения кислорода в электролит, – говорит Шахбазян-Яссар. – Он является непроницаемым для кислорода, электропроводящим, гибким и достаточно прочным. Его толщина составляет всего несколько нанометров, поэтому к масса батареи не изменится».
