Институт химии КАН: полимерный молекулярный предохранитель снизил тепловыделение катодов на 76%

Исследователи из Института химии Китайской академии наук разработали полимерный «молекулярный предохранитель», встроенный в катоды высоконикелевых литиевых батарей. Согласно статье в National Science Review, добавка снизила тепловыделение на 76% в катодах LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 и задержала тепловой разгон в литий-металлических пакетных ячейках на 0,6 А·ч doi.orgNational Science Reviewdoi.orgОткрыть источник ↗. Работа выполнена в лаборатории на катодах и небольших пакетных ячейках.

Решаемая проблема — тепловой разгон в высокоэнергетичных литиевых батареях. Его движут автокаталитические радикальные реакции и накопление горючих газов. В высоконикелевых ячейках при перегреве кислород, выделяющийся из катода, может реагировать с электролитом, давая тепло и газ, и эти реакции усиливают друг друга doi.orgNational Science Reviewdoi.orgОткрыть источник ↗.

Как работает молекулярный предохранитель

Полимер содержит «жертвенные» связи фосфор–углерод (P–C). В обычных условиях он стабилен и поддерживает перенос ионов лития. При аномальном нагреве связи разрываются, образуются фосфор-центрированные радикалы, которые подавляют экзотермические цепные реакции doi.orgNational Science Reviewdoi.orgОткрыть источник ↗.

Температура срабатывания задаётся молекулярным дизайном. Подстраивая индуктивный и гиперконъюгационный эффекты фосфонатных боковых цепей, авторы изменили энергию диссоциации связей P–C. Начало термического разложения сместилось примерно на 10°C — с около 102°C до 112°C; это подтверждено расчётами методом теории функционала плотности и in situ температурной рамановской спектроскопией doi.orgNational Science Reviewdoi.orgОткрыть источник ↗. Новый порог выше типичной температуры сушки катодов около 100°C, поэтому радикалы не образуются преждевременно при изготовлении.

Результаты испытаний

Полностью заряженные высоконикелевые катоды с предохранителем выделяли на 76% меньше тепла, чем немодифицированные, газовыделение также снизилось. Структурные измерения показали меньшее расширение решётки при раннем нагреве и более позднюю структурную деградацию doi.orgNational Science Reviewdoi.orgОткрыть источник ↗.

В литий-металлических пакетных ячейках на 0,6 А·ч при внешнем нагреве модифицированные ячейки показали более низкую пиковую температуру поверхности возле катода. Температура резкого падения напряжения выросла с 144,7°C до 196,9°C doi.orgNational Science Reviewdoi.orgОткрыть источник ↗. Электрохимические тесты, по данным авторов, также показали благоприятный перенос ионов лития и улучшенную циклируемость.

Авторы описывают подход как стратегию проектирования: использовать настраиваемые химические связи, чтобы вмешиваться в опасные реакции на ранних стадиях теплового разгона, а не полагаться только на пассивные тепловые барьеры или подавление пламени doi.orgNational Science Reviewdoi.orgОткрыть источник ↗.