Твердотельные батареи безопаснее?
На первый взгляд, твердотельные батареи обладают рядом преимуществ с точки зрения безопасности. В них отсутствует легковоспламеняющийся жидкий электролит, который можно заменить негорючим твердым электролитом. Кроме того, они, как правило, имеют более широкий диапазон рабочих температур, что снижает вероятность теплового разгона из-за перегрева элементов. Также обычно снижается тепловыделение, выделяемое при внешнем перегреве.
Однако это не вся картина. Термин «твердотельная батарея» на самом деле относится к целому ряду технологий производства батарей. В некоторых случаях батарея по-прежнему использует жидкий компонент для ионного обмена (полутвердотельная), а это значит, что в ней все еще присутствует летучий компонент. Некоторые твердотельные полимерные электролиты не являются полностью воспламеняемыми, и любой электролит может расплавиться, если система достаточно нагреется.
В 2022 году парижский оператор общественного транспорта временно вывел из эксплуатации 149 электробусов после двух отдельных пожаров. Утверждается, что в этих инцидентах использовались батареи с литий-железо-фосфатным катодом, литий-металлическим анодом и твердотельным полимерным электролитом. Поставщик описывает свои батареи как «полностью твердые, без жидких компонентов и не содержащие никеля и кобальта».
Другой пример — исследование, основанное на моделировании, проведенное Национальными лабораториями Сандиа в 2022 году (Hewson et al., Joule, Vol. 6, Issue 4, 742–755), в котором сравнивалась безопасность полностью твердотельной батареи, твердотельной батареи с добавлением жидкого электролита на катоде и обычной литий-ионной батареи на жидкой основе. Исследование показало, что в случае отказа из-за внешнего нагрева твердотельная батарея с небольшим количеством жидкого электролита выделяет меньше тепла, чем типичная литий-ионная батарея, но больше, чем полностью твердотельная батарея. В случае короткого замыкания выделяемое тепло зависело только от емкости элемента. Поскольку твердотельные батареи могут иметь более высокую плотность энергии, может выделяться больше тепла. Типичные температуры теплового разгона для стандартных литий-ионных батарей составляют около 1000–1200 °C. В некоторых сценариях этого исследования повышение температуры твердотельных батарей достигало почти 1800 °C.
Разработка твердотельных батарей продолжается, но вывод таков, что в большинстве случаев они могут быть безопаснее. Тем не менее, ни одна аккумуляторная система не будет на 100% безопасной. Поэтому теплоизоляция и противопожарные материалы всегда будут необходимы для обеспечения того последнего уровня защиты, который замедляет распространение огня за пределы батареи.
Решения в области огнезащитных материалов:
Типы огнезащитных материалов, используемых для твердотельных батарей, будут в значительной степени аналогичны тем, которые используются для традиционных литий-ионных батарей; форм-фактор элемента (цилиндрический, призматический, пакетный) и общая конструкция блока будут оказывать большее влияние на выбор материала. В настоящее время наиболее часто используемые материалы для пассивной огнезащиты включают слюдяные листы, керамические одеяла, инкапсулирующие пенопласты и огнезащитные покрытия, среди прочих. Аэрогели набирают долю рынка, а такие варианты, как вспучивающиеся покрытия и материалы с фазовым переходом, вызывают все больший интерес.
Многие из этих материалов с трудом выдерживают температуру выше 1500°C. Тем не менее, конечная цель состоит не обязательно в том, чтобы полностью остановить распространение огня, а скорее в том, чтобы отсрочить его как можно дольше. Помимо высоких температурных характеристик, эти материалы все чаще должны соответствовать другим требованиям, таким как гибкость ячеек, характеристики уплотнения и стоимость. Быстрорастущий рынок электромобилей, все больше ориентированный на пожарную безопасность, откроет разнообразные возможности для огнезащитных материалов, возможности, которые не будут устранены альтернативными аккумуляторными технологиями, такими как твердотельные батареи.
Автор: д-р Джеймс Эдмондсон, ведущий технологический аналитик компании IDTechEx
