Две революционные разработки повышают безопасность литий-ионных аккумуляторов

Керамический аккумулятор, работающий в кипятке

Китайские учёные из Университета Цинхуа разработали миниатюрную литийионную батарею на полностью керамической основе, способную стабильно работать при температурах значительно выше точки кипения воды. В отличие от обычных литийионных аккумуляторов, где ионы лития перемещаются в жидком электролите, новая батарея использует твёрдую керамическую среду, что принципиально снижает риск возгорания.

Опытный элемент сохранял работоспособность при нагреве до 150 °C, а также в течение 20 секунд выдерживал кратковременный тепловой удар до 300 °C без заметной потери характеристик. Обычные литийионные батареи обычно безопасно эксплуатируются примерно в диапазоне от −20 до 60 °C, тогда как новый образец рассчитан на стабильную работу в диапазоне от 0 до 150 °C.

Серьёзным вызовом для учёных стало сохранение механической прочности электролита по мере снижения его толщины. Чтобы обойти это ограничение, исследователи предложили многослойную архитектуру без анода: керамические слои формируются и соединяются таким образом, чтобы создать наилучший контакт между ними и обеспечить стековую конструкцию, размер которой можно гибко адаптировать под разные задачи. Важная особенность разработки — это работа без внешнего давления, что позволит производить аккумуляторы при обычном атмосферном давлении.

Гибридное охлаждение сокращает использование диэлектрической жидкости на 80%

Учёные из Корейского института машиностроения и материалов (KIMM) предложили систему охлаждения литий-ионных батарей, которая значительно сокращает расход дорогой диэлектрической жидкости. В отличие от традиционных подходов, где либо тепло уводят через пластины рядом с ячейками, либо батареи полностью погружают в негорючую жидкость, разработчики создали гибридную схему.

Новая система сочетает частичное погружение аккумулятора в диэлектрическую жидкость с её распылением сверху. По результатам тестирования, при такой конфигурации температура остаётся ниже 35 °C даже при интенсивной зарядке и разрядке (режим зарядки 4C). Расчёты показывают, что метод расходует на 80-90% меньше диэлектрической жидкости, чем классическое полное погружение.

• Верхнее распыление быстро снимает пик нагрева;
• Нижний слой обеспечивает принудительную конвекцию;
• Объём жидкости снижен до 10-20% от традиционного погружения;
• Масса и стоимость системы охлаждения уменьшаются;
• Жидкость остаётся негорючей и подавляет возгорание.

Для электромобилей это особенно важно: каждый лишний килограмм немедленно сказывается на запасе хода. Разработчики отмечают, что диэлектрическая жидкость сама по себе не горит и работает как встроенный огнетушитель при выходе ячеек из строя. Следующий шаг команды KIMM — подбор новых жидкостей с помощью методов искусственного интеллекта.

Перспективы применения

Максимально безопасный в эксплуатации аккумулятор нужен носимой электронике, интернету вещей и космосу. Умные часы с керамическим аккумулятором можно случайно уронить в кастрюлю с кипятком, и это не приведёт к воспламенению батареи устройства. Аккумуляторы безопасного типа будут востребованы для миллиардов датчиков систем безопасности различного назначения без риска пожара просто из-за выхода аккумулятора из строя.

Гибридное охлаждение открывает возможности для ещё более безопасной эксплуатации аккумуляторов в условиях интенсивной зарядки. Комбинированный подход позволяет эффективно бороться с тепловым разгоном, снижая риски возгорания электромобилей и других технических устройств.