Для получения более эффективных и безопасных аккумуляторов предложен материал из дерева
В поисках аккумуляторов, которые имеют большую энергоёмкость, эффективность и безопасность, исследователи пробуют разные электролиты, а также материалы катода и анода. Недавно группа исследователей из Университета Брауна и Университета Мэриленда разработала новый материал для применения в твердотельных аккумуляторах. Интересно, что он получен из такого необычного сырья, как дерево.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature. Там учёные демонстрируют твёрдый проводник ионов, который изготовлен из меди с нанофибриллами целлюлозы (это полимерные трубки, получаемые из древесины). Как говорят исследователи, этот материал тонкий, как бумага. Его ионная проводимость в 10-100 раз превышает существующие полимерные ионные проводники. Этот материал может быть использован в качестве твердого электролита в аккумуляторах или в качестве ионопроводящего связующего для катода в полностью твердотельной аккумуляторной батарее (АКБ).
Как сказал профессор факультета материаловедения и инженерии университеты Мэриленда Лянбин Ху (Liangbing Hu), новый материал из меди с одномерными нанофибриллами целлюлозы демонстрирует, что целлюлоза, которая обычно изолирует ионы, в этом случае обеспечивает быстрый перенос ионов лития в полимерных цепях. По его мнению, это демонстрация рекордно высокой ионной проводимости среди всех существующих на данный момент твердых полимерных электролитов. Проведенная работа стала результатом сотрудничества лаборатории профессора Ху и лаборатории профессора инженерной школы Брауна — Юэ Ци (Yue Qi).
Современные литий-ионные аккумуляторы, которые используются в мобильных устройствах, системах накопления энергии, электромобилях содержат электролиты, состоящие из соли лития, растворённой в жидком органическом растворителе. Функция электролита заключается в обеспечении проводимости ионов лития между катодом и анодом. Эту функцию жидкие электролиты выполняют неплохо, но имеют ряд недостатков. Например, при высоком токе в электролите может происходить образование тонких нитей металлического лития. Их называют дендритами. Такие нити могут приводить к короткому замыканию. Помимо этого, жидкий электролит состоит из токсичных и легковоспламеняющихся химикатов, что отрицательно сказывается на безопасности при эксплуатации.
В случае твердых электролитов можно предотвратить образование дендритов и использовать при этом негорючие материалы. На сегодняшний день большинство исследованных твердых электролитов являются керамическими материалами, которые хорошо проводят ионы лития. Однако они довольно жёсткие и хрупкие, а также имеют достаточно большую толщину. В результате, закладываемые напряжения при их производстве, а также последующие циклы заряда и разряда могут приводить к трещинам в этом материале и поломкам аккумуляторов.
Исследователям удалось получить материал, который является тонким и гибким практически, как лист бумаги. Но по показателю ионной проводимости он ничуть не уступает керамике. Старший научный сотрудник инженерной школы Брауна Цишенг Ву (Qisheng Wu) и профессор Юэ Ци провели компьютерное моделирование микроскопической структуры медно-целлюлозного материала, в результате которого им удалось понять причину хорошей проводимости ионов. По результатам моделирования видно, что медь расширяет пространство между цепями полимера целлюлозы, обычно существующими в виде плотно упакованных связок. Это увеличенное расстояние обеспечивает необходимое количество ионных магистралей, по которым беспрепятственно двигаются ионы лития.
Юэ Ци утверждает, что ионы лития перемещаются в твёрдом органическом электролите при помощи механизмов, обычно присутствующих в неорганической керамике. И это обеспечивает рекордно высокую проводимость ионов. Он считает, что использование материалов, которые предоставляет сама природа, уменьшит общее воздействие от производства аккумуляторов на окружающую среду.
Помимо основного назначения (работы в качестве твёрдого электролита), новый материал может также использоваться в качестве ионопроводящего связующего катода в твердотельных аккумуляторах. Как известно, для соответствия ёмкости анода в таких системах, катод должен быть существенно толще. Однако большая толщина может привести к нарушению ионной проводимости и снижению эффективности работы аккумуляторной батареи. Поэтому более толстые катоды заключают в ионопроводящую связующее. Команда исследователей утверждает, что их новый материал позволяет при использовании в качестве связующего создать один из самых толстых функциональных катодов, которые когда-либо были получены.
В выводах своего исследования учёные выражают надежду, что полученный ими материал станет важным этапом на пути вывода технологии твердотельных аккумуляторов в массовое производство.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
