Литий-ионные аккумуляторы применяются в миллионах или даже миллиардах электронных устройств – они питают портативные компьютеры, смартфоны и электромобили, однако эти источники питания представляют собой потенциальную опасность. В определенных условиях они могут возгораться, и, пожалуй, самым значимым последствием этого печального факта было введение запрета на полеты Boeing 787 в нескольких странах мира, в частности, в США, Японии, Индии и Чили. Причиной таким запретам послужил, в том числе, и наблюдавшийся перегрев литий-ионных аккумуляторов, обеспечивавших энергией электронику авиалайнеров. Для понижения опасности применения литий-ионных источников питания исследователи из США и Китая разработали систему, обеспечивающую раннее предупреждение о возможности перегрева.

Возгорание аккумулятора может происходить в результате контакта электродов и, как следствие, короткого замыкания. Обильное и быстрое выделение тепловой энергии может способствовать возгоранию электролита, содержащего соль лития (к примеру LiPF6), растворенную в горючем органическом растворителе (чаще всего в качестве растворителя в литий-ионных аккумуляторах применяется диметилкарбонат). Обычно разделение электродов обеспечивается тонкой пористой полиэитиленовой пленкой, однако дендриты лития – губкообразные структуры, вероятность роста которых на аноде увеличивается по мере срока эксплуатации аккумулятора, могут прорвать этот барьер.

В настоящее время у исследователей еще нет точных представлений о причинах формирования этих дендритов, вероятно по этой причине все попытки предотвратить рост дендридов за счет модификации материала электрода или электролита оказывались безуспешными. Тем не менее, как отмечает Йи Куй (Yi Cui) из Стэнфорда,

поскольку появляется востребованность в аккумуляторах все с большей и большей емкостью, во главу угла ставится безопасность таких источников питания – именно проблемы, связанные с возможностью самовозгорания в настоящее время не дают в полной мере раскрыть потенциал литий-ионных аккумуляторов.

Куй и его коллеги разработали «умный аккумулятор», сепаратор которого может детектировать опасные дендриты до того, как они вызовут короткое замыкание и воспламенение – это пленка меди нанометровой толщины, вложенная между двумя листами полиэтилена. Если дендриты прорывает пленку-сепаратор, они контактируют с медной пленкой, в результате чего ток, возникающий между медным «предохранителем» и электродом обеспечивает резкое падение напряжение. Такая ранняя система оповещения о росте дендрита позволяет безопасно отключить источник питания от схемы. Куй поясняет, что такая модификация литий-ионного источника питания позволяет использовать такие аккумуляторы в течение полного срока их службы, не опасаясь внезапной внештатной ситуации. Важным обстоятельством является и то, что новая конструкция сепаратора не влияет на эффективность аккумулятора – модифицированный источник питания отличается тем же электрическим сопротивлением, той же гибкостью и степенью пористости, как и источники питания стандартных моделей.

Как отмечает специалист по материаловедению Васант Кумар (Vasant Kumar) из Кембриджа, исследователи предложили весьма простой, но при этом инновационный подход. Ему вторит специалист по электрохимии Кирил Марино (Cyril Marino) из Технического Университета Мюнхена, добавляя, что модификация сепаратора решает проблемы безопасности коммерчески доступных литий-ионных аккумуляторов.

Предложенная технология лишь незначительно увеличит себестоимость производства литий-ионных аккумуляторов, причем, как полагает Куй, незначительное удорожание источника питания, позволяющее при этом в значительной степени обезопасить электромобиль или персональное электронное устройство должно быть объективно воспринято потребителями.

Тем не менее, Кумар добавляет, что нововведение не решает проблему образования дендритов, и в долгосрочной перспективе наиболее желаемой целью является дизайн аккумулятора, в котором бы эти дендриты не образовывались.

Куй полагает, что и этой цели можно будет достичь уже в течение этого десятилетия – главное выяснить механизм, обеспечивающий образование этих структур, и тогда можно будет говорить о разработке способов предотвращения их роста.