Ученые из Стэнфордского университета разработали новый тип безопасных литий-ионных аккумуляторных батарей, которые самостоятельно отключаются в случае их перегрева выше определенной температуры. Это позволит избежать повторения случаев возгорания батарей ноутбуков, смартфонов и других электронных устройств, которые происходят с завидной периодичностью. При понижении температуры батареи до нормального уровня ее нормальное функционирование полностью возобновляется.

Типичный литий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов и слоя жидкого или гелеобразного электролита, через который производится ионный обмен. Достаточно большая часть аккумуляторных батарей выпускается в бескорпусном исполнении и любой прокол, деформация или даже приложение усилия к мягкому пакету батареи приводит к возникновению короткого замыкания, в точке которого при заряде начинает интенсивно выделяться тепло. При нагреве электролита до 150 градусов Цельсия может произойти возгорание электролита и даже небольшой взрыв.

В основе структуры новой батареи лежать принципы, использованные ранее для создания датчика, контролирующего температуру человеческого тела, который в свое время был разработан группой из Стэнфорда, возглавляемой профессором Жнаном Бао (Zhenan Bao). Датчик представляет собой лист пластика, заполненного внутри крошечными никелевыми частицами, поверхность которых усеяна наноразмерными шипами. Однако в аккумуляторной батарее остроконечные никелевые частицы дополнительно покрыты слоем графена, углерода одноатомной толщины, что позволило увеличить электрическую проводимость материала.

Для того, чтобы пластиковая пленка могла проводить электрический ток, требуется чтобы никелевые частицы физически касались друг друга своими шипами. Однако, при нагреве полиэтиленовой пленки она расширяется, расстояние между никелевыми частицами увеличивается, электрический контакт пропадает и ток не может больше течь через батарею. По мере охлаждения полиэтилен сокращается, частицы снова начинают контактировать друг с другом и работоспособность батареи постепенно восстанавливается.

Следует отметить, что чувствительность такой системы тепловой защиты аккумуляторной батареи в 10 тысяч раз превышает чувствительность других устройств защиты, использующих твердотельные датчики температуры, прикрепляемые к наружной поверхности батареи. Диапазон температуры срабатывания защиты и некоторые другие параметры могут регулироваться в процессе производства устройств путем изменения плотности частиц в полимере, типа полимера и геометрических размеров никелевых частиц.

«Мы разработали первую батарею, которая может самостоятельно отключиться в случае угрозы критического перегрева и возгорания» – рассказывает профессор Бао, – «При охлаждении батарея снова самовосстанавливается, не претерпевая изменений ее электрической емкости и других параметров».