Start-up СПбГУ: Студенты СПбГУ придумали, как защитить литий-ионные аккумуляторы от короткого замыкания

Сегодня одним из самых существенных недостатков литий-ионных аккумуляторов, которыми мы пользуемся ежедневно, является риск их короткого замыкания и, как следствие, возгорания. 265 подобных случаев зафиксировано в аэропортах США с 1991 по 2019 год, 20 раз по этой причине взрывались электромобили Tesla за последние два года.

В результате перепадов напряжения в аккумуляторе или механического воздействия на него между катодом и анодом образуется пробой. Заряд перестает передаваться по внешней цепи, оставаясь внутри аккумулятора. По нему циркулируют большие токи, и батарея разогревается. Плавится сепаратор, расположенный в месте пробоя, увеличивая его размер. В итоге происходит короткое замыкание, устройство возгорается и приходит в негодность, что влечет за собой не только финансовые потери, но и угрозу человеческой жизни, если взрыв происходит, например, в автомобиле.

Сейчас существует несколько способов решения этой проблемы. Часто на аккумуляторе устанавливают выключатель, который реагирует на рост температуры и предотвращает перегревание батареи. Однако такая система может слишком поздно выявить неполадки. В этом случае возгорания не произойдет и техника уцелеет, но аккумулятор спасти не удастся. К тому же выключатель значительно увеличивает размеры конечного изделия. Другой метод борьбы с короткими замыканиями — нанесение на катод терморезисторного слоя. Этот процесс требует перестройки производства и специального оборудования, что связано с большими затратами. Кроме того, технологию сложно адаптировать для изготовления аккумуляторов разных видов и размеров.

Идея нашей разработки в том, чтобы остановить короткое замыкание с помощью особой катодной массы. Она включает в себя три элемента: токопроводящую добавку — металл или сажу, активное вещество и полимерное связующее, состав которых мы и подбираем.

Капитан команды, магистрантка направления «Физика» Анна Никитенко

«Во время нагрева аккумулятора благодаря уникальному составу нашего катода в нем возрастает сопротивление. Это ведет к тому, что ток перестает течь внутри аккумулятора и передаваться по внешней цепи. Температура больше не повышается, и аккумулятор возвращается в привычный режим работы», — рассказала капитан команды, магистрантка направления «Физика» Анна Никитенко.

Такой способ имеет ряд преимуществ. Его внедрение на предприятиях не потребует перестройки производственной цепочки и, следовательно, больших вложений. Помимо этого, новая катодная масса будет в каждом аккумуляторе устройства, в то время как, например, выключатель прикрепляется только к одному из них, и если нагревание батареи начнется не с него, то сигнал о неполадках придет с опозданием. Также благодаря недорогим компонентам катода стоимость аккумулятора будет минимум на 10 % ниже, чем тех, для защиты которых использованы иные технологии предотвращения возгорания. Еще один плюс проекта состоит в том, что изменения в катоде не отразятся на размере исходного изделия, что упростит масштабирование технологии в производство.

Ребята планируют сотрудничать с производителями аккумуляторов для мобильных телефонов, бытовой техники и автомобилей, а также с изготовителями крупных промышленных батарей, например, для подводных лодок или электрокаров, предлагая предприятиям готовый продукт или лицензию на свою разработку. Студенты уже ведут переговоры с некоторыми компаниями.

Конкурс «Start-up СПбГУ» проходит в Университете уже в пятый раз. Команды, представившие самые наукоемкие и коммерчески перспективные бизнес-модели, получат денежные призы от эндаумент-фонда СПбГУ. Первое место принесет 300 000 рублей, второе — 200 000 рублей, а третье — 100 000 рублей. Кроме того, двум победившим командам могут предложить создать совместно с Университетом малые инновационные предприятия. Гранты на их развитие составят 1 000 000 и 700 000 рублей. Подробную информацию о конкурсе «Start-up СПбГУ — 2020» можно узнать на сайте эндаумент-фонда СПбГУ.

Сейчас участники определяют, из каких веществ должен состоять катод, чтобы он наиболее эффективно смог обезопасить аккумулятор от перегрева. На финальной защите проектов изобретатели поделятся результатами работы.

Команда включает пять человек: Илья Тютько («Фундаментальные информатика и информационные технологии») подбирает состав катода; Анна Борисова («Химия») отвечает за синтез материалов; Егор Фалалеев («Химия, физика и механика материалов») выполняет инженерные задачи; Никита Кулешов («Экономика») занимается экономической частью стартапа; Анна Никитенко («Физика») тестирует аккумуляторы и координирует работу в группе. Научный руководитель проекта — младший научный сотрудник кафедры электрохимии Евгений Белецкий.