Повышение безопасности литий-ионных аккумуляторов за счет адаптивных электродных слоев переменного сопротивления

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-19-00175

НазваниеПовышение безопасности литий-ионных аккумуляторов за счет адаптивных электродных слоев переменного сопротивления

Руководитель Левин Олег Владиславович, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-405 - Транспортная энергетика (наземного, водного, воздушного, космического транспорта)

Ключевые слова Литий-ионные аккумуляторы, безопасность, перезаряд, термический разгон, проводящие полимеры, катодные материалы

Код ГРНТИ44.41.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Необходимость использования в литий-ионных аккумуляторах легковоспламеняющихся органических электролитов вместе с сильными окислителями и восстановителями в составе катодных и анодных материалов может стать причиной возгорания и даже взрыва аккумулятора в случае возникновения нештатных ситуаций в процессе его функционирования. К таким нештатным ситуациям обычно относят перезаряд, переразаряд, внутреннее и внешнее короткое замыкание. Эти процессы приводят к тепловому разгону ЛИА, из-за которого сам аккумулятор может разрушиться и загореться, приведя к разрушению всего изделия в целом и травматизации потребителей, что особенно критично при использовании батарей ЛИА в качестве источников энергии транспортных средств. Возникновение нештатных ситуаций обычно связано внешними факторами, которые достаточно сложно предугадать и предотвратить, поэтому вопросы безопасности решаются при помощи встроенных в изделие электронных систем контроля и управления (СКУ), обеспечивающих механизмы включения/выключения батареи в рабочем режиме и в нештатной ситуации. Недостатком этого подхода является непропорциональное возрастание стоимости СКУ для аккумуляторов высокой мощности из-за необходимости работы с токами в 10-100 кА, а также вероятность отказа самого СКУ. В отличие от электронных систем, химические механизмы защиты обладают большей отказоустойчивостью и лучшей масштабируемостью (поскольку их реализация зависит от плотности тока на единицу поверхности электрода, а не от полного тока в системе). Поэтому создание механизма, решающего вопросы безопасности путём модификации материалов аккумулятора, является актуальной задачей, критичной для развития технологии. Целью проекта является обеспечение размыкания цепи внутри литий-ионного аккумулятора при возникновении нештатных режимов работы. Для этого предлагается создание защитного подслоя между катодным токоотводом и активной массой. Сопротивление этого слоя должно резко возрастать при выходе потенциала катода за пределы окна допустимых значений и/или превышении пороговой температуры, при этом такие изменения должны быть обратимыми. Тогда при возникновении нештатного режима работы аккумулятора катодный материал станет изолированным от токоотвода и дальнейшего развития нештатной ситуации и термического разгона аккумулятора не произойдёт. При ликвидации внешней причины нештатного режима работы (неисправного зарядного устройства, источника короткого замыкания и т.п.) проводимость защитного подслоя восстановится, и аккумулятор будет пригоден для дальнейшего использования. Для достижения поставленной цели проекта будут решены задачи по созданию материалов, обладающих требуемым характером зависимости проводимости от потенциала электрода и температуры, пригодные для нанесения тонких сплошных слоёв на алюминиевые подложки (токоотводы) и стабильные в условиях штатной работы ЛИА. Новизна предложенного подхода заключается в использовании подслоя, обладающего потенциорезистивными свойствами, как способа защиты ЛИА от перезаряда и глубокого разряда, а также в использовании в качестве материала потенциорезистивного подслоя не описанных ранее полимеров.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Белецкий Е.В., Алексеева Е.В., Спиридонова Д.В., Янкин А.Н., Левин О.В. Overcharge Cycling Effect on the Surface Layers and Crystalline Structure of LiFePO4 Cathodes of Li-Ion Batteries Energies, Energies 2019, 12, 4652; doi:10.3390/en12244652 (год публикации - 2019)
10.3390/en12244652

2. Белецкий Е.В., Волосатова Ю.А., Елисеева С.Н., Левин О.В. NICKEL-SALEN-TYPE POLYMERS CONDUCTIVITY UNDER OVEROXIDATION ХХI Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry. Book 6: Abstracts. – Saint Petersburg, 2019, ХХI Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry. Book 6: Abstracts. – Saint Petersburg, 2019 – p. 377 (год публикации - 2019)

3. Белецкий Е.В., Ершов В.А., Данилов С.Д., Алексеева Е.В., Левин О.В. Resistivity-Temperature Behavior of Intrinsically Conducting Bis(3-methoxysalicylideniminato)nickel Polymer Polymers, том 12, номер 12, номер статьи 2925 (год публикации - 2020)
10.3390/polym12122925

4. Лукьянов Д.А., Борисова А.С., Левин О.В. 6,6′-{[Ethane-1,2-diylbis(azaneylylidene)]bis(methaneylylidene)}bis[2-(hexyloxy)phenolato] Nickel(II) Molbank, том 2020, номер 4, номер статьи M1174 (год публикации - 2020)
10.3390/M1174

5. Верещагин А.А, Лукьянов Д.А., Куликов И.Р., Панджвани Н.А., Алексеева Е.В., Бехрендс Дж., Левин О.В. The Fast and the Capacious: A [Ni(Salen)]‐TEMPO Redox‐Conducting Polymer for Organic Batteries Batteries & Supercaps (год публикации - 2020)
10.1002/batt.202000220

6. Апраксин Р.В., Волосатова Ю.А., Волков А.И., Власов П.С., Лукьянов Д.А., Куликов И.Р., Елисеева С.Н., Левин О.В. Electrochemical Synthesis and Characterization of Poly[Ni(CH3Osalen)] with Immobilized Poly(styrenesulfonate) Anion Dopants Electrochimica Acta, 11.12.2020 (год публикации - 2020)

7. Новоселова Ю.В., Верещагин А.А., Кальнин А.Ю., Лукьянов Д.А., Левин О.В. 2-Hydroxy-3-octyloxybenzaldehyde molbank, 2021, 3, M1264 (год публикации - 2021)
10.3390/M1264

8. Федорова А.А., Анищенко Д.В., Белецкий Е.В., Кальнин А.Ю., Левин О.В. Modeling of the overcharge behavior of lithium-ion battery cells protected by a voltage-switchable resistive polymer layer Journal of Power Sources, 510, 230392 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jpowsour.2021.230392

9. Белецкий Е.В., Кальнин А.Ю., Лукьянов Д.А., Каменский М.А., Анищенко Д.В., Левин О.В. A Polymer Layer of Switchable Resistance for the Overcharge Protection of Lithium-Ion Batteries Russian Journal of Electrochemistry, 57, 10, 1028–1036 (год публикации - 2021)
10.1134/S1023193521100050

10. Белецкий Е.В., Федерова А.А., Лукьянов Д.А., Кальнин А.Ю., Ершов В.А., Данилов С.Е., Спиридонова Д.В., Алексеева Е.В., Левин О.В. Switchable resistance conducting-polymer layer for Li-ion battery overcharge protection Journal of Power Sources, 490, 229548 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jpowsour.2021.229548

11. Хром Сергей, Сизов В.В., Левин О.В., Лааксонен Аатто Assembly of [Ni(Schiff)] films on an inert surface: A multiscale computational study The Journal of Physical Chemistry C, 125, 5, 2926–2937 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.jpcc.0c09085

Публикации