В новом исследовании каучук предлагается в качестве материала для изготовления литий-ионных аккумуляторов

Исследователи из Технологического института Джорджии считают, что нашли перспективный материал для литий-ионных аккумуляторов. На эту роль они предлагают каучук. Им удалось обнаружить, что каучук, сформированный в виде трехмерной структуры, выступает в качестве супер магистрали для быстрой транспортировки ионов лития. При этом он обладает хорошей механической прочностью. Эластомеры или синтетические каучуки сейчас широко применяются в различных передовых технологиях и потребительских товарах. Например, в робототехнике или носимой электроники, благодаря своим превосходным механическим свойствам.

Фото: gatech.edu

В стандартных литий-ионных аккумуляторах ионы перемещаются в жидком электролите, который нестабилен по своей природе. Малейшее повреждение системы может привести к утечке электролита, воспламенению или взрыву. Проблемы с безопасностью вынуждают специалистов этой отрасли смотреть в сторону твердотельных аккумуляторов, которые изготавливаются с использованием органических полимеров или неорганической керамики. Как говорит один из авторов исследования, Сеун Ву Ли (Seung Woo Lee), большая часть аккумуляторной отрасли сосредоточилась на создании твердотельных неорганических электролитов. Однако, по его мнению, их трудно производить, и они не являются небезопасными для окружающей среды.

Поэтому исследовательская группа решила сосредоточиться на разработке органического полимера на основе каучука. Его они предлагают использовать в качестве твёрдого полимерного электролита. Эта группа материалов вызывает большой интерес, благодаря их невысокой стоимости, отсутствию токсичности и эластичности. Основная проблема полимерных электролитов заключается в том, что они не обладают необходимой проводимостью ионов и механической стабильностью для обеспечения надежной работы твердотельных аккумуляторов.

Разработанный 3D-дизайн  обеспечивает скачок производительности и энергетической плотности аккумулятора

Учёные Технологического института Джорджии сосредоточились на решении двух основных проблем «каучуковых электролитов»: плохие механические свойства и медленный перенос ионов лития. Они смогли сформировать трёхмерную взаимосвязанную кристаллическую фазу пластика внутри прочной резиновой матрицы. Благодаря такой уникальной структуре они смогли обеспечить отличные механические свойства, высокую проводимость ионов и электрохимическую стабильность системы. Как говорят исследователи, этот каучуковый электролит можно изготовить в результате простого процесса полимеризации при низкой температуре. Это обеспечивает гладкие и прочные границы раздела на поверхности электродов.

Сообщается, что уникальные характеристики каучукового электролита предотвращают рост дендритов лития и обеспечивают быстрый перенос ионов. Утверждается, что такие твёрдотельные аккумуляторы показывают надёжную работу даже при комнатной температуре. Сеун Ву Ли говорит, что если довести разработку до ума, то можно будет делать безопасные, надёжные и дешёвые литий-ионные аккумуляторы.

Ещё один автор исследования, Майкл Ли (Michael Lee), отметил, что высокая ионная проводимость позволяет перемещать большое количество ионов одновременно, что увеличивает энергетическую плотность аккумулятора. Для электромобилей это означает больший запас хода. Сейчас исследователя занимаются тем, что стараются повысить производительность разработанного аккумулятора, увеличить количество циклов заряд-разряд, а также сократить время зарядки за счёт дальнейшего увеличения ионной проводимости. Пока им удалось в два раза повысить производительность и количество циклов заряда разряда.

Проведенная исследовательская работа поможет улучшить репутацию Технологического института Джорджии, как центра инноваций в сфере электромобилей. Крупная энергетическая и нефтехимическая компания SK Innovation, которая среди прочего занимается производством аккумуляторов, финансирует дополнительные исследования электролитного материала в рамках своего постоянного сотрудничества с этим научным учреждением в сфере создания твердотельных аккумуляторов будущего поколения. Перед учёными стоит задача разработать более безопасные и более энергоёмкие аккумуляторные батареи, чем современные Li-Ion. Не так давно SK Innovation объявили о строительстве нового предприятия по производству аккумуляторов для электромобилей в Коммерсе (штат Джорджия, США). К 2023 года там планируется выпускать литий-ионные аккумуляторы в объеме 21,5 ГВтч ежегодно.

Директор исследовательского центра аккумуляторов нового поколения SK Innovation, Кёнхван Чой (Kyounghwan Choi) говорит, что твёрдотельные аккумуляторы помогут существенно увеличить запас хода и безопасность эксплуатации электромобилей. В компании считают, что коммерциализация твёрдотельных аккумуляторов полностью изменит ситуацию на рынке электрических транспортных средств. В SK Innovation возлагают большие надежды на сотрудничество с группой исследователей из Технологического института Джорджии.