Дякую, кеп: китайські науковці знайшли рішення для проблеми загоряння батарей — розробили батарею, яка не може загорітися.

Техніки збирають натрій-іонні акумуляторні блоки на виробничому підприємстві в центральній китайській провінції Хенань. Chinese Academy of Science / VCG

Дослідження та розробки, постійний контроль і безліч захисних механізмів — усе це спрямовано на запобігання тепловому розгону в акумуляторах. Тепер науковці з Китайської академії наук пропонують просте рішення: батареї, які просто не можуть загорітися.

Їхнє рішення полягає в конструкції натрій-іонної батареї, що використовує полімеризований негорючий електроліт, який швидко затвердіває під впливом високих температур, формуючи внутрішній захисний бар’єр.

Тепловий розгін давно є серйозною проблемою в акумуляторних технологіях, особливо в літій-іонних батареях, які зазвичай містять горючі електроліти. Це питання стало ще більш актуальним через зростання використання електромобілів, враховуючи розміри батарей у цих транспортних засобах.

Це явище є самоприскорювальною ланцюговою реакцією, при якій батарея переходить у неконтрольований стан нагрівання. Як тільки досягається певна температура, хімічні речовини всередині батареї починають реагувати, виділяючи більше тепла. Це тепло, у свою чергу, прискорює реакції, породжуючи ще більше тепла в замкнутому колі. За мілісекунди або хвилини температура може піднятися до 700–1000 °C (1292–1832 °F). Це часто призводить до виділення токсичних газів, сильних пожеж або вибухів.

Традиційні літій-іонні батареї на заводській виробничій лінії. New Atlas / Depositphotos

Більш того, оскільки батарея сама генерує кисень під час цієї реакції, звичайні вогнегасники часто не можуть її загасити. Зазвичай доводиться чекати, поки батарея вигорить сама по собі. Тепловий розгін може бути спровокований різними факторами, включаючи пошкодження батареї, перегрів, перезаряджання, виробничі дефекти, контакт із солоною водою та зовнішні пожежі.

Це звучить дійсно лякаюче, проте, за даними EV FireSafe, ймовірність того, що ваш електромобіль спонтанно загориться через несправність батареї, становить приблизно 0,0012%. Цей показник став можливим завдяки дійсно передовим інженерним рішенням та величезній кількості ресурсів і зусиль.

“Команда під керівництвом професора Ху Юнчена оголосила про перший у світі результат “нульового теплового розгону” на рівні ампер-годинних натрій-іонних батарей. При цьому, за даними BAIC, паралельно розробляється натрій-іонна батарея з повним зарядом приблизно за 11 хвилин”, — повідомляє PV Magazine.

Виробники батарей витрачають роки на дослідження та проектування кожного аспекту батареї — від хімії комірок до електричної архітектури. Зазвичай за цим слідує дуже точне виробництво, а потім кілька раундів жорстких випробувань. На додаток до цих факторів, виробники проектують навколо батарей численні системи моніторингу, охолодження, захисту та аварійного відключення.

Усі ці заходи потребують буквально років зусиль і витрат, які легко можуть сягати мільярдів доларів. Тому зрозуміло, чому запропоноване дослідниками рішення — батарея із вбудованою системою запобігання пожежам — є значним проривом. Їхня система — це батарея із вбудованим розумним брандмауером, який автоматично запобігає потенційним пожежам до їх виникнення.

СпецпроєктиЯк перетворити заощадження на дохід: досвід покупки корпоративних облігацій за кілька хвилин”Kатка24″ – картка для геймерів від “ПриватБанку”, Visa та NAVI. З нею можна отримати кешбеки, знижки та не тільки

На відміну від традиційних літій-іонних батарей, які використовують горючі рідкі електроліти — як правило, органічні карбонати, такі як етиленкарбонат (EC), диметилкарбонат (DMC) та діетилкарбонат, — ця нова конструкція базується на натрій-іонній основі.

Загоряння батарей у EV / EVFireSafe.com

Вона містить полімеризований негорючий електроліт (PNE). Коли внутрішня температура батареї перевищує 150 °C (302 °F), рідкий електроліт зазнає швидкої хімічної реакції та затвердіває. Цей твердий бар’єр виконує функцію внутрішнього “брандмауера”, фізично блокуючи поширення тепла і перериваючи ланцюгові реакції, які зазвичай призводять до вибухів.

У дослідженні, опублікованому в Nature Energy, вчені детально описали результати випробувань. Батарея витримала зовнішнє нагрівання до 300 °C (572 °F) без запуску теплового розгону. Комірка також пройшла тест на проникнення цвяхом, що імітує внутрішнє коротке замикання, зберігши повну структурну цілісність. І незважаючи на додаткові функції безпеки, комірка зберегла конкурентоспроможну питому енергоємність 211 Вт·год/кг і надійно працювала в температурному діапазоні від -40 °C до 60 °C (від -40 °F до 140 °F).

“Замість єдиної лінії захисту рідкий PNE може зазнати швидкої фазової зміни і затвердіти у щільний фізичний бар’єр, ефективно перериваючи поширення тепла та запобігаючи катастрофічним пожежам або вибухам, які зазвичай пов’язані з відмовою батареї”, — пояснила дослідницька команда.

Перевага натрій-іонних систем над літій-іонними є очевидною. Натрій-іонні системи є принципово термічно стабільнішими. Вони використовують менш реактивні матеріали, що робить їх значно менш схильними до реакцій розгону. З іншого боку, натрій-іонні батареї мають нижчу питому енергоємність, тобто зберігають менше енергії на одиницю об’єму, ніж їхні літій-іонні аналоги. Однак це є прийнятною ціною за переваги системи.

Перш за все, вона усуває можливість виникнення пожежі. Це величезна перевага з точки зору безпеки. Крім того, система безпеки є пасивною, але надзвичайно ефективною. Для “виявлення” пожежі не потрібен комп’ютер або охолоджувальний насос. Власна хімія батареї виконує функцію фізичного запобіжника.

Також, оскільки батарея є принципово безпечною, вона зменшує потребу в важких і дорогих вогнетривких “сейфах” навколо неї. Це робить весь автомобіль легшим і дешевшим у виробництві.

“Компанія HiNa (Zhongke Haina) — дочірня структура того ж інституту — очікує, що натрій-іонні батареї досягнуть цінового паритету з літій-іонними приблизно у 2027 році, а до 2028-го цінові діапазони перетнуться в міру масштабування виробництва. Тести на важких вантажівках вже показали зниження витрати енергії на кілометр приблизно на 15% і збільшення запасу ходу на ~20%”, — повідомляє портал CarNewsChina.

Але дещо варто зазначити. Такі полімеризовані системи зазвичай розроблені як односпрямований тригер безпеки. Після затвердіння електроліту він припиняє рух іонів і фактично виводить комірку з ладу. У дослідженні це прямо не зазначено, але після спрацювання, скоріш за все, знадобиться ремонт на рівні батарейного блоку.

Це не обов’язково є недоліком, оскільки незворотне відключення є кращим варіантом у конструкціях, критично важливих для безпеки. Брандмауер — це аварійний захист, адже очікується, що батареї працюватимуть значно нижче 150 °C (302 °F).

Системі все одно потрібна система охолодження. Нормальна робота все одно генерує тепло, а висока температура може погіршити продуктивність і скоротити термін служби. Попри ці питання, технологія має далекосяжний потенціал не лише для електромобілів, а й для будь-яких систем, які використовують батареї.

Іронія долі: Tesla Cybertruck загорівся після того, як протаранив пожежний гідрант

Джерело: New Atlas