Китайская женщина-кандидат наук готова решить проблему возгорания и взрыва литиевых батарей

Литий-ионные аккумуляторы в электромобилях могут загореться или взорваться при коротком замыкании, что представляет значительную угрозу безопасности. Пять лет назад, будучи студентом магистратуры в Уханьском технологическом университете, доктор Лунь Ли начал искать решения этой проблемы. Теперь, будучи научным сотрудником в том же учреждении, она сделала революционное открытие. Ее исследование было опубликовано в последнем выпуске журнала Nature Chemical Engineering.

Под руководством профессора Хэ Дапина из Школы физики и механики Уханьского технологического университета этот исследовательский патент был успешно внедрен в индустриализацию. Компания инвестировала 30 миллионов йен в расширение производства. Исследовательская группа основала компанию Hainan Zhangyu Technology Co., Ltd. для продолжения валидации технологии и планирует внедрить ее в ближайшее время, если будет доказана ее жизнеспособность.

Прорыв после неожиданного эксперимента

Литий-ионные батареи подвержены пожарам и взрывам, потому что выделяемое ими тепло не может рассеиваться достаточно быстро, что приводит к накоплению, которое вызывает серию экзотермических реакций и, в конечном итоге, тепловой разгон. Контроль внутреннего тепловыделения и улучшение теплопередачи имеют решающее значение для предотвращения этой проблемы.

В 2020 году во время эксперимента доктор Ли разобрал батарею, которая загорелась и взорвалась, обнаружив, что металлический токосъемник на положительном электроде почти полностью сгорел. Эти коллекторы обычно изготавливаются из алюминия или меди.

«Это наводит на мысль о возможной связи между металлическими токосъемниками и тепловым разгоном», — поделился доктор Ли с профессорами Хэ Дапином и Май Лицян. Вместе они размышляли о том, сможет ли огнестойкий материал заменить металлические токосъемники. Такой материал должен обладать высокой теплопроводностью, отличной огнестойкостью и достаточной плотностью, чтобы избежать увеличения размера батареи.

Их внимание переключилось на графен, уникальный двумерный материал. Доктор Ли проверил его огнестойкость, подержав его над спиртовой лампой в течение получаса, и примечательно, что он остался неповрежденным. Этот неожиданный результат удивил ее коллег по лаборатории.

«Мы предложили использовать графеновые токосъемники с высокой теплопроводностью, чтобы заменить традиционные металлические, значительно повысив безопасность батарей», — сказал доктор Ли. Ее работой также руководил доцент Ян Цзиньлун из Шэньчжэньского университета.

Двойная ковка графеновых токосъемников при высоких температурах

Однако использование графена в качестве токосъемника требует достижения достаточной механической прочности и тонкости — не менее 10-20 мкм — при сохранении хорошей проводимости.

Утром 16-го числа репортер из Changjiang Daily посетил лабораторию синтеза графеновой пленки в Уханьском технологическом университете. Д-р Ли представил рулон металлической фольги, пояснив: «Это алюминиевый токосъемник, обычно используемый в положительных электродах литий-ионных аккумуляторов. Медь также используется в качестве металлического токоприемника». Затем она показала рулон неметаллического материала и сказала: «Это наш графеновый токосъемник, серийно производимый в Wuhan Hanci Technology Co., Ltd».

Репортер заметил, что графеновый токосъемник был тонким, как крылья цикады. Доктор Ли несколько раз согнул его, не вызвав никакой деформации. «Его толщина составляет всего 10 микрометров, и под микроскопом не появляется никаких трещин, сколько бы раз он ни изгибался. Несмотря на свой хрупкий вид, он прошел два раунда высокотемпературной ковки, очень похожей на ковку мифического Сунь Укуна в печи Лаоцзы».

Д-р Ли указал на две высокотемпературные печи графитизации в лаборатории, объяснив, что графеновый материал подвергается двум высокотемпературным обработкам для получения окончательного графенового материала токоулавливателя.

Инвестиции в размере 30 миллионов йен для валидации производства

После того, как графеновый материал для улавливания тока был разработан, он был отправлен в нанотехнологическую лабораторию Уханьского технологического университета для определения структурных характеристик и испытаний на безопасность. Затем команда изготовила мягкие батареи из этого материала, проведя серию электрохимических испытаний.

Докладчик отметил, что в нанотехнологической лаборатории размещены не только литий-ионные аккумуляторы, но и натрий-ионные аккумуляторы, калий-ионные аккумуляторы и другие типы аккумуляторов, которые проходят электрохимические испытания.

Доктор Ли поделилась, что ее литий-ионные батареи также были протестированы в Научно-исследовательском институте физики высоких температур и высокого давления при Уханьском технологическом университете. Она часто обсуждает экспериментальные данные с доцентом Ян Цзиньлуном из Шэньчжэньского университета, анализируя результаты и планируя следующие шаги в своих исследованиях.

«В течение последних нескольких лет я часто путешествовал между лабораторией синтеза графеновой пленки, лабораторией нанотехнологий и Научно-исследовательским институтом физики высоких температур и высоких давлений. Но я не чувствую усталости — пока я могу достигать результатов, я чувствую себя удовлетворенным», — сказал доктор Ли, который занимается этим исследованием в течение пяти лет. Даже после того, как ее постдокторский срок закончится в следующем году, она планирует продолжать углублять эти исследования.

Д-р Ли рассказал, что компания уже инвестировала 30 миллионов йен в масштабирование производства, и если валидация пройдет успешно, технология скоро будет внедрена.