В современных литиевых батареях обычно используется жидкий электролит для переноса ионов между двумя электродами, но ученые, рассматривающие твердые альтернативы, видят впереди некоторые интересные возможности. Среди них есть авторы нового исследования, которые использовали целлюлозу, полученную из дерева, в качестве основы для одного из этих твердых электролитов, который имеет толщину как бумага и может сгибаться, поглощая напряжение во время цикла батареи.
Одним из недостатков электролитов, используемых в современных литиевых батареях, является то, что они содержат летучие жидкости, которые несут риск возгорания при коротком замыкании устройства и могут способствовать образованию щупальцевидных наростов, называемых дендритами, которые снижают производительность. Между тем твердые электролиты могут быть изготовлены из негорючих материалов, что снижает склонность устройства к образованию дендритов и может открыть совершенно новые возможности в архитектуре батарей.
Одна из этих возможностей связана с анодом, одним из двух электродов, который в современных батареях сделан из смеси графита и меди. Некоторые ученые рассматривают твердые электролиты как ключевой шаг к тому, чтобы аккумуляторы работали с анодом, сделанным из чистого металлического лития, который мог бы помочь преодолеть узкое место, связанное с плотностью энергии, и позволить электромобилям и самолетам путешествовать намного дальше без зарядки.
Многие из твердых электролитов, разработанных до сих пор, были изготовлены из керамических материалов, которые очень эффективно проводят ионы, но не так хорошо выдерживают нагрузки во время зарядки и разрядки из-за своей хрупкости. Ученые из Университета Брауна и Университета Мэриленда искали альтернативу этому и использовали нанофибриллы целлюлозы, обнаруженные в древесине, в качестве отправной точки.
Эти полимерные трубки из дерева были объединены с медью для образования твердого ионного проводника, обладающего проводимостью, подобной керамике, и в 10-100 раз лучше, чем другие полимерные ионные проводники. По словам команды, это связано с тем, что добавление меди создает пространство между цепями полимера целлюлозы для формирования «ионных супермагистралей», позволяя ионам лития перемещаться с рекордной эффективностью.
«Объединив медь с одномерными нанофибриллами целлюлозы, мы продемонстрировали, что обычно изолирующая целлюлоза обеспечивает более быстрый перенос ионов лития внутри полимерных цепей», — сказал автор исследования Лянбинг Ху. «Фактически, мы обнаружили, что этот ионный проводник обладает рекордно высокой ионной проводимостью среди всех твердых полимерных электролитов».
А поскольку этот материал тонкий и гибкий, ученые полагают, что он лучше выдержит нагрузки при циклической работе батареи. Они также говорят, что он обладает электрохимической стабильностью для размещения литий-металлического анода и катодов высокого напряжения или может действовать как связующий материал, который покрывает сверхтолстые катоды в батареях высокой плотности.
«Ионы лития перемещаются в этом твердом органическом электролите с помощью механизмов, которые мы обычно находим в неорганической керамике, что обеспечивает рекордно высокую ионную проводимость», — говорит автор исследования Юэ Ци. «Использование материалов, которые предоставляет природа, снизит общее воздействие производства батарей на окружающую среду».
Исследование было опубликовано в журнале Nature .
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК