Полимерные электролиты для твердотельных аккумуляторов без «мертвых зон»
По мере увеличения спроса на электромобили и расширения их производства, увеличивается интерес к полностью твёрдотельным аккумуляторам. Они представляют собой АКБ следующего поколения, которые должны заменить современные литий-ионные аккумуляторные батареи. Последние являются пожароопасными и взрывоопасными. Однако проблемой твёрдотельных полимерных электролитов являются низкая ионная проводимость или низкая химическая стабильность твердотельных сульфидных электролитов. Это тормозит их дальнейшее развитие. Не так давно исследовательская группа POSTECH представила свою разработку в виде полимерного электролита без «мертвой зоны», которая препятствует переносу ионов.
Исследовательскую группу возглавил профессор Мун Чжон Пак (Moon Jeong Park). С ним работал доктор Джэминь Минь (Jaemin Min) с химического факультета POSTECH и группа профессора Чан Юн Сона (Chang Yun Son) из отдела передовых материаловедения. Они разработали новый сополимерный электролит, который имеет возможность управлять структурой посредством электростатических взаимодействий. Результаты исследования привлекли внимание специалистов, поскольку на фундаментальном уровне решается проблема плохой подвижности ионов в «мертвой зоне». Такая зона неизбежно присутствует в стандартных двумерных морфологиях. Исследователи опубликовали полученные результаты в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
В литий-ионном аккумуляторе ионы перемещаются в жидком электролите. Если будет небольшое повреждение и электролит просочиться через него, это приведет к возгоранию, а в некоторых случаях даже к взрыву. Это делает современные литий-ионные аккумуляторные батареи нестабильными. Твердотельный электролит позволяет преодолеть этот недостаток. Поскольку полимера имеет хорошую гибкость и не растекается, твёрдотельные аккумуляторы на основе полиэлектролита остаётся устойчивым даже при повреждении. Он имеет низкий риск возгорания, поскольку этот электролит негорючий. Помимо этого, твёрдотельные аккумуляторы по сравнению с обычными литий-ионными того же размера и веса имеют энергетическую плотность в 1,5–1,7 раза выше. Отсюда больше ёмкость и дольше срок службы.
Твёрдотельные аккумуляторы состоят из электронов и электролита без сепаратора между отрицательным и положительным электродом. Исследователи из POSTECH разработали новый наноструктурированный электролит, контролируя электростатическое взаимодействие. Ученые синтезировали ряд полимерных электролитов с разной силой электростатического воздействия. Для этого использовались сложные методы синтеза. После этого они подтвердили наноструктуру данных электролитов с помощью профилей малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS).
Впервые в Южной Корее исследователи оценили распределение ионов в наноструктурах, для чего они использовали обширное молекулярно-динамическое моделирование. С его помощью специалисты определили распределение заряда в несколько ангстрем (Å). Им удалось подтвердить, что именно распределение заряда является ключом к развитию трехмерной низкосимметричной морфологии.
Проведённое исследование уникально тем, что морфология с низкой симметрией, как правило, наблюдается в биметаллических составных материалах. Однако для полимерных электролитов это беспрецедентное явление. Важность исследования заключается в том, что оно на систематическом уровне показывает причину образования наноструктуры посредством теоретических расчётов и экспериментов.
Исследование также стало первым, которое предлагает методика изготовления твердого электролита, проводимость которого в десять раз выше, чем у двумерной морфологии. В её основе лежит управление распределением заряда на уровне единиц Å в полимерном электролите.
Профессор Мун Чжон Пак, который является одним из ведущих специалистов по синтезу полимерных электролитов, говорит, что сотрудничество с Чанг Юн Сон во многом обеспечило успех данного исследования. Чанг Юн Сон является экспертом в области компьютерного моделирования.
Мун Чжон Пак отметил, что новая наноструктура позволяет существенно улучшить проводимость ионов по сравнению с обычными двумерными структурами. По его мнению, это открывает дорогу к значительному ускорению коммерциализации полностью твердотельных безопасных аккумуляторов.
Исследование проводилось при поддержке Программы исследователей среднего звена, Программы поиска творческих материалов, Программы центров научных исследований и Программы молодых исследователей Национального исследовательского фонда Кореи.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
