Коллектив ученых из Стэнфордского университета, США, создал мембрану на основе композитных микроволокон, которая при наргреве до определенной температуре плавится и выпускает в раствор концентрированное вещество-пламегаситель. Такое устройство, установленное в обычный литий-ионный аккумулятор, не снижает его рабочих характеристик, но в случае возгорания ликвидирует пламя за доли секунды. Новая работа опубликована в Science Advances.
Традиционные литий-ионные аккумуляторы сейчас широко используются практически во всех мобильных электронных устройствах. Несмотря на их относительную дешевизну и высокую энергоэффективность они представляют определенную опасность для пользователей, так как содержат очень горючие вещества, такие как этиленкарбонат или диэтилкарбонат. В случае короткого замыкания температура батареи локально возрастает, что может привести к возгоранию. Для снижения пожароопасности аккумуляторов в них пробовали добавлять пламегасители, однако это снижало эффективность работы устройства. Авторы новой работы решили эту проблему за счет использования композитных материалов, работающих по принципу экстренного огнетушителя.
Исследователи создали микроволокно с характерной структурой «ядро-оболочка»: внутри нитей находился концентрированный пламегаситель (трифенилфосфин), а оболочка состояла из инертного полимера, не дававшего содержимому волокна раствориться в аккумуляторном электролите и тем самым навредить работе батареи. Механизм действия трифенилфосфина основан на активном поглощении свободных радикалов — активных частиц, ответственных за цепную реакцию распространения пламени. Защитный полимер подбирался таким образом, чтобы при нагреве оболочка нити легко плавилась и выпускала пламегаситель в раствор. В итоге ученые остановились на материале с тепературой плавления 160 градусов Цельсия.
Для теста нового метода мембрану, сотканную из композитного волокна, авторы помещали в качество штатного разделителя в типичном литий-ионном аккумуляторе с графитовым анодом. При этом оказалось, что в нормальном режиме работы аккумулятора лишь четыре процента пламегасителя просачивалось в раствор, что практически не сказывалось на работе системы. Чтобы удостовериться, что в случае пожара «огнетушитель» действительно сработает, авторы подожгли мембрану, смоченную легкогорючим электролитом обычной зажигалкой: пламя сбилось за 0,4 секунды.
По словам авторов, их система может уже сейчас быть использована в промышленном производстве аккумуляторов, так как композитное микроволокно синтезируется при помощи простого электропрядения (
). Помимо литий-ионных аккумуляторов для мобильной электроники новые мембраны могут найти применение и в других устройствах, таких как суперконденсаторы. Проблема пожароопасности аккумуляторов особо остро проявилась в партии устройств Samsung Galaxy Note 7 в 2016 году, что вынудило компанию
устройства, а также породило волну
в социальных сетях.
Тарас Молотилин