Разработан огнеупорный полимерный электролит для литий-ионных аккумуляторов
В современных литий-ионных батареях используются жидкие электролиты, которые могут загореться при перегреве батареи. Твердые электролиты из негорючих полимеров и керамики более безопасны, но их характеристики пока недостаточно хороши для практического использования. Исследователь Рэйчел З. Хуан (Rachel Z. Huang) из Стэнфордского университета сообщил о новом жидком полимерном электролите, который является негорючим и столь же проводящим, как и современные электролиты, пишет издание C&EN.
Обычные электролиты становятся небезопасными при температуре выше 60 °C. Новый электролит работает при температурах до 100 °C. Поскольку в нем используются те же соли и растворители, что и в современных электролитах, его внедрение в существующие батареи должно быть относительно простым. По словам Женан Бао, инженера-химика из Стэнфордского университета, он также перспективен для использования в новых технологиях литий-металлических аккумуляторов.
Под действием пламени в течение 3 секунд стекловата, пропитанная электролитом обычной литий-ионной батареи, воспламеняется (слева), а пропитанная новым жидко-полимерным электролитом не горит. Слева на фото виден белый диск с выходящим из него пламенем.
Современные жидкие электролиты состоят из солей лития, растворенных в летучих органических растворителях. Эти растворители помогают перемещать ионы между двумя электродами. Полимерные и керамические электролиты не могут этого сделать, и они также не образуют контактную поверхность с электродами, что еще больше затрудняет поток ионов и влияет на производительность. Частью того, что сдерживает производительность этих полимеров, в частности, является их жесткая основа, которая ограничивает движение ионов лития.
Материаловед, инженер и их коллеги выбрали полисилоксан, который имеет гибкую основу, для своего электролита. Команда начала с добавления соли лития в вязкий раствор полисилоксановых мономеров и растворителя диметоксиэтана. Сначала они добились небольшого успеха. Ионы лития взаимодействовали с анионами мономеров, сшивая их и делая полимер жестким, снижая ионную проводимость. Но, к их удивлению, когда они добавили больше соли, увеличив соотношение соли к полимеру до 8:1, смесь снова стала липкой.
Детальные исследования с использованием спектроскопии и магнитного резонанса показали, что в солевом электролите молекулы растворителя были связаны как с ионами лития, так и с анионами на боковых цепях полимера. Это уменьшило сшивку полимера, сделав его более мягким и проводящим, а также снизило воспламеняемость растворителя.
Стекловата, пропитанная новым электролитом, не загоралась при воздействии прямого пламени в течение нескольких секунд, в то время как обычный электролит воспламенялся. Небольшие аккумуляторные элементы, изготовленные из электролита и анодов и катодов коммерческих литий-ионных аккумуляторов, могут зажигать светодиод, даже если его поместить на горячую плиту. Ячейки можно было перезаряжать 400 раз, а сегодня батареи обычно рассчитаны на 1000 циклов перезарядки.
«Потребуются дополнительные испытания, чтобы увидеть, соответствует ли он другим требованиям, таким как технологичность и долгосрочные испытания на промышленном уровне», — говорит Женан Бао.
Полисилоксан обладает и другими свойствами, которые могут сделать его хорошим выбором, в частности, для литий-металлических батарей. Он химически инертен, что должно уменьшить его взаимодействие с литиевым электродом. Реакция лития с химическими веществами электролита имеет тенденцию сокращать срок службы этих батарей.
Другие исследователи сделали жидкие электролиты негорючими с помощью добавок, но они ускоряют деградацию графитового анода, сокращая срок службы батареи, говорит исследователь батарей из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Цзигуан (Джейсон) Чжан, новый электролит «имеет большой потенциал для практического применения».