Профессор материаловедения и инженерии Кристофер Эванс и аспирант Брайан Цзин разработали твердый самовосстанавливающийся электролит батареи,  пригодный для вторичной переработки.

Литий-ионные аккумуляторы известны возникновением внутренних коротких замыканий, которые могут воспламенять жидкие электролиты, что может приводить к взрывам и пожарам. Инженеры из Университета Иллинойса разработали твердый электролит на основе полимеров, который может самовосстановиться после повреждения. Также данный материал может быть переработан без использования агрессивных химикатов или высоких температур.

Новое исследование, которое может помочь производить перерабатываемые самовосстанавливающиеся коммерческие батареи, опубликовано в журнале Американского химического общества.

Поскольку литий-ионные аккумуляторы проходят несколько циклов зарядки и разрядки, в них возникают крошечные ветвистые структуры твердого лития, называемые дендритами, рассказывают исследователи. Эти структуры сокращают срок службы батареи, образуют проблемные места, и короткие замыкания, а иногда,  увеличившись в размере, могут вызывать повреждения во внутренней части батареи и взрывные химические реакции между электродами и электролитическими жидкостями.

Исследователи заявили, что химики и инженеры предпринимали попытки заменить жидкие электролиты в литий-ионных батареях  твердыми материалами, керамическими или полимерными. Однако многие из них являются жесткими и хрупкими, что приводит к плохому контакту электролита с электродом и пониженной проводимости.

«Твердые ионопроводящие полимеры являются одним из вариантов для разработки неликвидных электролитов, — говорит Брайан Цзин, аспирант и соавтор направления материаловедения и техники. — Но высокотемпературные условия внутри батареи способны расплавить большинство полимеров, что снова ведет к образованию дендритов и поломкам».

В предыдущих исследованиях были получены твердые электролиты с использованием сети полимерных нитей, соединения которых образуют  литиевый проводник, похожий на каучук. Такой метод задерживает рост дендритов. Однако эти материалы являются сложными и не могут быть восстановлены после повреждения, говорит учёный.

Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали сетевой полимерный электролит, в котором точка соединения полимеров может подвергаться обменным реакциям и менять местами полимерные нити. В отличие от линейных полимеров, сети становятся более твёрдыми при нагревании, что потенциально может минимизировать проблему дендритов, считают исследователи. Кроме того, они могут быть легко разъединены и преобразованы в сетевую структуру после повреждения, что делает их пригодными для повторного использования, и они самовосстанавливаются, восстанавливая проводимость после повреждения.

«Этот новый сетевой полимер также демонстрирует замечательное свойство, заключающееся в том, что как теплопроводность, так и жесткость увеличиваются с нагревом, чего не наблюдается в обычных полимерных электролитах», — говорит Цзин.

«Большинству полимеров требуются сильные кислоты и высокие температуры, чтобы разрушиться, — говорит профессор материаловедения и инженерии и ведущий автор Кристофер Эванс. — Наш материал растворяется в воде при комнатной температуре, что делает его очень энергоэффективным и экологически чистым».

Исследователи заявили, что команда изучила проводимость нового материала и признала его потенциал эффективного электролита для батареи многообещающим, но она говорит  о необходимости дальнейших более глубоких исследований, прежде чем его можно будет применять в батареях, в масштабах, сопоставимых с сегодняшним использованием.

«Я думаю, что данная работа представляет собой интересную платформу для других исследований, — говорит Эванс. — Мы использовали очень специфическую химию и очень специфическую динамическую связь в нашем полимере, но мы думаем, что существующую платформу можно перенастроить для использования со многими другими химическими веществами, чтобы корректировать проводимость и механические свойства».

Лоис Йоксулян, Иллинойский университет в Урбана-Шампейн

phys.org