Многоуровневый литиевый отрицательный электрод с умной противопожарной защитой для безопасной литиевой батареи

Почему важна более высокая безопасность батарей

Литиевые металлические батареи могли бы обеспечить больший запас хода электромобилей и ещё более тонкие телефоны, но у них есть скрытая опасность: содержащийся в них литий может ярко гореть при сбое. В этом исследовании предложен остроумный способ конструкции литиевого электрода, который в значительной степени способен сам локализовать и подавить возгорание, оставаясь при этом ёмким. Работа показывает, как тщательно спроектированная наслоенная структура вокруг лития одновременно предотвращает пламя и сохраняет работоспособность батареи после серьёзного воздействия.

Риск возгорания внутри литиевых металлических батарей

Литиевый металл привлекателен тем, что по удельной ёмкости превосходит почти все другие материалы для батарей. Однако он также очень реакционноспособен и может легко загореться при контакте с нагревом, воздухом или влагой, что приводит к очень горячему, трудно тушимому пламени. Существующие меры безопасности в основном направлены на использование менее воспламеняющихся жидкостей внутри батареи или более прочных сепараторов между положительной и отрицательной сторонами. Эти шаги помогают, но не устраняют коренную проблему: если сам литий загорится, батарея всё равно может разрушиться драматичным образом. Прямое смешивание стандартных огнезамедляющих добавок с литием не работает, потому что литий корродирует эти добавки и уничтожает как их огнезадерживающую способность, так и ёмкость батареи.

Многослойный щит вокруг литиевого металла

Исследователи сконструировали новый отрицательный литиевый электрод как стек из четырёх взаимодействующих слоёв. В основании находится лёгкий пористый каркас из оксида графена, который обеспечивает механическую поддержку и множество пустот для лития. Внутри этого каркаса они наносят твёрдое огнезамедляющее соединение — трифенилфосфат. Сверху выращивают очень тонкий равномерный слой оксида цинка, который одновременно притягивает расплавленный литий и служит барьером между литием и огнезамедлителем. Наконец, литий заполняет поры, занимая наружную область структуры. Такая компоновка держит огнезамедляющий материал запечатанным вдали от лития в обычных условиях, избегая разрушительных побочных реакций, свойственных простым смесям, и при этом оставляет его готовым сработать в чрезвычайной ситуации.

Как работает умная противопожарная защита

При воздействии горячего пламени такой наслоённый электрод ведёт себя очень иначе, чем чистый литий. Пористый каркас замедляет и распределяет тепло, поэтому большая часть структуры остаётся заметно прохладнее точки воспламенения, даже когда одна сторона сильно нагрета. По мере роста температуры скрытый огнезамедляющий слой постепенно разлагается и выделяет газы, которые просачиваются через крошечные каналы к поверхности лития. Моделирование и визуализация показывают, что эти газы образуют плащ вокруг электрода, вытесняющий кислород и прерывающий химические цепные реакции, питающие горение. Одновременно фрагменты молекул огнезамедлителя прочно связываются с атомами лития, дополнительно прерывая процесс горения. В результате образцы нового электрода не продолжают гореть, даже будучи выдержанными в пламени при 600 градусах, в то время как чистый литий и простая смесь лития с огнезамедлителем ярко горят и крошатся.

Сохранение работоспособности батареи во время и после пожара

Ключевое: преимущества по безопасности не достигаются за счёт производительности. В нормальном циклировании батареи слой оксида цинка препятствует растворению огнезамедлителя в жидком электролите и его атакам на литий. Это даёт более стабильный интерфейс, где литий может равномерно наплавляться и сниматься, избегая игольчатого роста и поддерживая низкое внутреннее сопротивление. В испытаниях наслоённый электрод выдерживал гораздо больше циклов заряда и разряда, чем чистый литий или простая смесь с огнезамедлителем. Даже после прямого поджига большая часть лития в многослойной конструкции остаётся неизрасходованной и пригодной для работы, поэтому элементы с таким электродом могут продолжать работать сотни часов, тогда как элементы с чистым литием полностью выходят из строя после сгорания.

Что это значит для будущих устройств

Чтобы продемонстрировать практическое значение, команда собрала пакетные ячейки, похожие по размеру и форме на небольшие коммерческие батареи. Когда литиевая сторона стандартной литиевой металлической ячейки была подвержена огню, вся батарея вспыхнула и была разрушена. В отличие от этого, элементы с многослойным «умным» электродом продолжали питать лампу, не воспламеняясь, даже при повторной или длительной подаче огня. В целом исследование показывает, что окружение литиевого металла тщательно спроектированным огнезамедляющим многослойным «хостом» может превратить известный своей воспламеняемостью материал в гораздо более безопасный компонент батареи, при этом обеспечивая долгий срок службы и высокую энергию. Этот подход может помочь сделать батареи следующего поколения на основе лития и, возможно, других металлов гораздо безопаснее для повседневного применения.

Цитирование: Qi, H., Deng, L., Liu, Y. et al. Smart-flame-retarding layered composite Li negative electrode for safe Li metal battery. Nat Commun 17, 4438 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71069-9

Ключевые слова: литиевые металлические батареи, безопасность батарей, огнезамедляющий электрод, пена из оксида графена, слой оксида цинка