Российский материал для японской батарейки

Даже если вы не знаете, что такое литий-ионный аккумулятор, вы, скорее всего, им пользуетесь — это стандартный элемент питания сотовых телефонов. Большая часть аккумуляторов производится сегодня в Китае. В России нет технологий их массового производства для гражданских применений, но в области научных разработок отставание все-таки меньше. Это подтверждается публикациями российских специалистов в этой области. Так, новые полимерные материалы для аккумуляторов, разработанные учеными Института проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН) в Черноголовке открывают возможности перехода в технологии аккумуляторов от жидких электролитов к твёрдым. Это позволит использовать литий-ионные аккумуляторы при повышенных температурах — до 100^оС — и снизить опасность их самопроизвольного воспламенения и взрыва. Результаты исследований ученых из Черноголовки опубликованы в последнем номере журнала Электрохимия.

В состав литий-ионных аккумуляторов входит так называемый электролит. Он заполняет пространство между анодом и катодом и обеспечивает протекание тока ионов лития между электродами при зарядке и разрядке аккумулятора. Обычно электролит имеет сложный состав и содержит органические растворители. Разработчики из Черноголовки предложили использовать в качестве электролита твердый полимер с добавками соли лития, который они синтезировали в своей лаборатории.

«Мы заинтересовались вопросом твердых полимерных электролитов в 2008 году, когда получили запрос от японской компании „Ниссан“, — рассказывает участник исследований, старший научный сотрудник ИПХФ РАН Ольга Ярмоленко. — Аккумуляторы с жидким или гель-полимерным электролитом [эта технология используется сейчас, — прим. ред.] закипают уже при 80^оС. Японцы же хотели ставить литий-ионные аккумуляторы на электромобили, а там случаются и более высокие рабочие температуры. В электромобиль нужен крупногабаритный аккумулятор, если он взорвется, то взрыв будет очень сильным. Разумеется, вероятность того, что это произойдет должна быть исключена. Аккумуляторы с твердым полимерным электролитом с этой точки зрения безопасны. Совместной работы с „Нисаном“ не получилось, грянул кризис, но исследования продолжаются», — заключает Ольга Ярмоленко.

На первом этапе исследований разработчикам не удалось достичь значительных значений проводимости, достаточных, чтобы их можно было считать пригодными для литий-ионных аккумуляторов. Но проводимость синтезированных в Черноголовке материалов можно улучшать.

Чаще всего в качестве твердой полимерной матрицы выбирается полиэтиленоксид, но он имеет существенный недостаток — очень низкую проводимость ионов лития при комнатной температуре — 10^-8 Ом^-1?см^-1. Ученые ставили перед собой цель подобрать полимер, с которым литий-ионные аккумуляторы будут взрывобезопасными (из-за отсутствия органического растворителя) и функциональными в широком интервале температур — от +20^оС до +100^оС.

Учёные синтезировали полимеры, используя реактивы на основе легко вступающего в реакцию вещества — олигогидроксиэтилакрилата. Кроме этого, в реакцию вводили оригинальный компонент на основе полиэтиленгликоля и сложных изоцианатов — веществ, использующихся в промышленности для получения полиуретана. Этот компонент увеличивает подвижность молекул полимера в электролите, за счет чего возрастает его проводимость.

Далее были проведены исследования электрохимических свойств твердого электролита, в том числе и проводимость. Оказалось, что при низких температурах проводимость их полимера почти в 300 раз выше, чем у стандарта — полиэтиленоксида. При повышении температуры до +100^оС она возрастала еще в 100 раз. К сожалению, ни в первом, ни во втором случаях значения, которых достигли разработчики, не достаточно велики, чтобы их можно было считать пригодными для литий-ионных аккумуляторов. "Наши исследования начаты недавно и проводимости, которые мы получили пока не очень высокие, — соглашается участник исследований, старший научный сотрудник ИПХФ РАН Ольга Ярмоленко.

В дальнейшем ученые из Черноголовки планируют улучшать проводимость своих материалов. Они попытаются это сделать, проводя модификации полимерной матрицы электролита неорганическими наночастицами оксидов титана, кремния и алюминия с размерами около 30 нм, которые, согласно литературным данным, повышают ионную проводимость.