I rischi di incendio delle batterie agli ioni di litio sono estesi in tutto il mondo e tale guasto può avere gravi implicazioni sia per gli smartphone che per le auto elettriche, dice il capo del gruppo e professore presso il Dipartimento di Elettrochimica dell'Università di San Pietroburgo Oleg Levin. "Dal 2012 al 2018, 25, Sono stati segnalati 000 casi di incendio da parte di un'ampia gamma di dispositivi solo negli Stati Uniti. Prima, dal 1999 al 2012, solo 1, Sono stati segnalati 013 casi. Il numero degli incendi è in aumento così come il numero delle batterie utilizzate, " Egli ha detto.

Tra i principali motivi per cui le batterie agli ioni di litio prendono fuoco o esplodono ci sono il sovraccarico, corto circuito, e altri. Di conseguenza, la batteria è surriscaldata e la cella della batteria va in fuga termica. L'aumento della temperatura fino a 70 o 90°C può portare a reazioni chimiche pericolose che possono provocare un ulteriore aumento della temperatura e di conseguenza incendi o esplosioni. Per evitare che le batterie prendano fuoco possiamo utilizzare un dispositivo adiacente, cioè un microcircuito elettronico. Tiene traccia di tutti i parametri della batteria e può spegnere la batteria in caso di emergenza. Eppure la maggior parte degli incendi è dovuta a guasti dei microcircuiti elettronici causati da difetti di fabbricazione.

"Per questo è stato particolarmente importante sviluppare una strategia di sicurezza della batteria basata sulle reazioni chimiche per bloccare il flusso di corrente elettrica all'interno del pacco batteria. A tal fine, proponiamo di utilizzare un polimero speciale. La sua conduttività elettrica può adattarsi alle fluttuazioni di tensione nella batteria. Se la batteria funziona normalmente, il polimero non impedisce il passaggio della corrente elettrica. Se la batteria è sovraccarica, c'è un corto circuito, o la tensione della batteria scende al di sotto dei normali livelli di funzionamento, il polimero entra in un cosiddetto isolatore, interruttore, modalità, ", ha detto il professor Levin.

Ci sono polimeri che possono cambiare resistenza se riscaldati, dice il professor Levin. Il problema che abbiamo dovuto affrontare quando si utilizza questa tecnologia, anche nelle società di San Pietroburgo, era se il polimero iniziasse a funzionare come isolante, significa che la batteria ha già subito un surriscaldamento che ha provocato processi pericolosi che non possono essere arrestati semplicemente interrompendo il circuito elettrico. Ciò rende questa tecnologia lungi dall'essere efficace. Eppure tali progressi hanno generato interessi nella ricerca di nuove tecnologie, compreso il polimero che sarà in grado di regolare la tensione prima che la batteria inizi a surriscaldarsi.

"Ho collaborato con Evegenii Beletskii, il mio studente post-laurea presso il Dipartimento di Elettrochimica, che aveva lavorato nell'industria. Ha una vasta esperienza nello sviluppo di sistemi di sicurezza delle batterie. Questo ci ha aiutato molto nella realizzazione della parte sperimentale del progetto che si è concentrata sul funzionamento del polimero. Anna Fedorova, uno studente post-laurea presso il Dipartimento di Elettrochimica, lavorava anche nell'industria. Nel progetto, si occupava principalmente del calcolo delle proprietà fisiche e chimiche del materiale, ", ha detto Oleg Levin.

Il progetto è durato due anni. Durante i sei anni precedenti l'inizio del progetto di sviluppo della tecnologia, gli scienziati avevano svolto ricerche fondamentali per studiare le proprietà fisiche e chimiche di un'ampia gamma di polimeri. Hanno scoperto una classe di polimeri che cambiano la resistenza con la tensione. Questo era ciò su cui si sono concentrati gli scienziati.

"La parte più difficile nello sviluppo della "miccia chimica" è stata trovare un polimero attivo. Conoscevamo una grande varietà di polimeri di questa classe. Tuttavia, scegliere quello che sarebbe stato adatto per creare un prototipo era un osso duro, " disse Levin. "Inoltre, abbiamo dovuto far progredire la tecnologia sviluppando una versione industriale per dimostrare che avevamo avuto un'idea di una strategia efficace per la sicurezza della batteria. Così, abbiamo dovuto acquistare molte nuove attrezzature per la prototipazione e adattare le tecniche per lavorare con le batterie agli ioni di litio."

Ciò che rende diversa questa tecnologia di sicurezza è l'elevata scalabilità. Per esempio, quanto grande è il tradizionale circuito di protezione della regolazione dipende dalla potenza della batteria. Perciò, lo schema delle batterie di forza motrice delle auto elettriche sarà sia grande che costoso. Ridimensionare il "fusibile chimico" è semplice in quanto viene applicato su tutta la superficie del collettore di corrente interno.

"Le batterie agli ioni di litio utilizzano diversi tipi di catodi, vale a dire elettrodi caricati positivamente mediante i quali gli elettroni entrano in un dispositivo elettrico. Hanno una tensione di lavoro diversa. Così, un polimero di sicurezza dovrebbe reagire di conseguenza. Siamo riusciti a trovare un polimero adatto a un solo tipo di batteria, quella è una batteria al litio ferro fosfato. La modifica della struttura del polimero potrebbe comportare la modifica della sua conduttività per renderlo adatto ad altri tipi di catodi che sono oggi sul mercato. Abbiamo alcune idee su come rendere questa strategia di sicurezza più universale aggiungendo un componente di sicurezza nel polimero per adattarsi alle variazioni dei livelli di temperatura nella batteria. Questo dovrebbe eliminare tutti i rischi di incendio associati alle batterie, ", ha detto Oleg Levin.

Prima di pubblicare l'articolo, L'Università di San Pietroburgo ha ricevuto un brevetto per questa tecnologia. Gli scienziati stanno attualmente preparando un modello in dimensioni reali di batterie protette per mostrarle ai potenziali investitori.