Как электролит обнаруживает литиевый дендрит внутри батареи?

Учёные сравнивают принцип работы с передачей сигналов в нейронах: электрический сигнал запускает химический процесс, а тот снова превращается в электрический сигнал. Наночастицы неорганического твёрдого электролита здесь служат чувствительными элементами, а полимерный электролит образует защитную среду. Так механизм описывает КАН.

При обычной работе полимер помогает переносить ионы лития и не даёт неорганическим частицам напрямую соприкасаться с металлическим литием. Если дендрит проходит сквозь полимер, он касается частицы. По данным КАН, на границе материалов начинается химическая реакция, и снаружи батареи можно измерить изменение напряжения.

В этом и состоит суть подхода: повреждение внутри элемента превращается в электрический сигнал, заметный извне. Но КАН не сообщает, сколько времени проходит от появления сигнала до возможного короткого замыкания.

Как это работает

Представим батарею многослойной стеной, а дендрит — тонким проводом, который медленно пробивает её изнутри. В стене спрятан чувствительный слой. Пока преграда цела, он изолирован от провода. Когда тот добирается до слоя, начинается реакция, и снаружи появляется сигнал напряжения. Это упрощённая метафора механизма, описанного КАН.

В техническом разборе «Электронная инженерия» называет разработку DSSE. Её создали команды Мэн Цинхая и Го Юйго. КАН сообщает, что исследование опубликовано в журнале Nature Sensors при поддержке Государственного фонда естественных наук Китая и самой академии.

Цифры и цена

В описанном «Электронной инженерией» опыте использовали пакетный элемент ёмкостью 2,5 А·ч. Его отрицательный электрод был графитовым, положительный — из фосфата железа и лития. Удельная энергия составила 156,6 Вт·ч/кг, объёмная — 410,3 Вт·ч/л. Это показатели экспериментального элемента. По ним нельзя напрямую оценить запас хода автомобиля или срок службы батареи.

Испытания проводили при площадной ёмкости 1,0, 2,5 и 5,0 мА·ч/см². Технический разбор также приводит статистику по шести независимым элементам. Сообщение КАН подтверждает, что напряжение меняется до внутреннего короткого замыкания, но точный запас времени не указывает.

Цена материала и батареи с ним неизвестна. Нет и данных о продаже или серийном производстве, поэтому сравнить стоимость с обычными батареями пока нельзя. Пересчитать цену в рубли тоже не получится: её не сообщили.

Где подвох

Обычные внешние датчики измеряют температуру и давление. По оценке КАН, им трудно напрямую заметить раннее локальное повреждение внутри батареи: небольшая проблема может начаться в одной точке, пока общие параметры элемента ещё не изменились.

У встроенного контроля тоже есть свои сложности. «Электронная инженерия» отмечает, что внедряемые датчики могут повышать стоимость и занимать место в батарее, а также усложнять совместимость с производственными линиями. Это замечание об альтернативных системах мониторинга, а не подтверждённый недостаток DSSE.

В доступных материалах нет критики DSSE со стороны китайских инженеров или пользователей. Не приведены и данные о частоте ложных тревог, времени от сигнала до короткого замыкания или сроках серийного внедрения. Пока речь идёт о лабораторной демонстрации принципа, а не о готовой системе безопасности для массовых аккумуляторов.

Встроенный сенсор — не единственная идея. В январе 2024 года команда Цзинаньского университета вместе с партнёрами представила систему мониторинга дендритов на основе внедряемой наклонной волоконной брэгговской решётки. Опубликованных данных о прямом сравнении этой системы с DSSE нет. Поэтому определить, какая технология точнее или практичнее, пока нельзя.

А что в России

Среди приведённых данных нет прямых российских аналогов электролита, который сам подаёт электрический сигнал при контакте с дендритом. Близкий по задаче, но внешний вариант — «умный» сенсор НИТУ МИСИС с резонатором и нейросетевой моделью. Он оценивает состояние аккумулятора, но не встроен в электролит и не реагирует напрямую на дендриты.

Другие упомянутые российские работы сосредоточены главным образом на защите батареи. В совместной разработке «Идеи», МГУ, Сианьского университета Цзяотун и «Дубны» двухслойный интерфейс должен изолировать керамику от лития и равномернее распределять ток. Институт химии твёрдого тела и механохимии СО РАН исследует композиционный электролит с перхлоратом лития в порах. СПбПУ разрабатывает тонкие плёнки, чтобы улучшить контакт твёрдого электролита с металлическим литием. Эти решения повышают устойчивость батареи или сдерживают рост дендритов, но не обнаруживают их с помощью электрического сигнала.

Результаты из российской сводки относятся к лабораторным исследованиям и прототипам. Сроки выхода на рынок и цены не указаны. Нет данных и о продаже китайской разработки в России. Пока сравнение выглядит так: китайская работа демонстрирует лабораторный способ раннего обнаружения дендрита, а описанные российские проекты пытаются подавить его рост или следить за состоянием батареи внешними средствами.

Какой подход кажется вам практичнее для будущих аккумуляторов: встроенный сигнализирующий электролит или отдельный датчик?

Читайте также

• В Китае поставили на конвейер «электростанцию в контейнере»: зачем батарее инвертор внутри
• Оказалось, что главная фишка новой батареи BYD — не химия, а кузов
• Почему ионы натрия крупнее литиевых, но батарея все равно выгодна для сетей?

#китай #наукаитехника #технологии #изобретения #лабораторияподнебесной