Новый сополимер сделает электромобили стабильнее и безопаснее

Твердотельные батареи потенциально способны решить многие проблемы литиевых аккумуляторов, от которых сейчас напрямую зависит и эффективность, и само существование электромобилей. В твердотельные аккумуляторы сейчас вкладываются Volkswagen, Toyota и Hyundai. Porsche планирует оснастить батарейный 911-й революционными твердотельными аккумуляторами. Nissan уже начал опытное производство. Однако недостатки таких батарей — высокая стоимость, низкая стабильность и множество ограничений использования. В США придумали, как обойти большую их часть.

Матчасть

В общих чертах ячейка любой батареи (химический источник тока) выглядит как некая емкость с электролитом, который размещается между двумя электродами (катодом и анодом). Чтобы они не замыкались друг на друга, в массе электролита находится сепаратор — проницаемая для ионов мембрана. Эта схема справедлива и для литиевых аккумуляторов, дьявол кроется в деталях.

От выбора материалов — катода, анода, электролита, сепаратора, — зависят основные свойства батареи. Их подбирают в соответствии со сферой применения аккумулятора, однако с точки зрения физических параметров ячеек есть одна общая проблема: электролит. Он либо жидкий, либо гелеобразный, то есть не вносит свою лепту в структурную прочность батареи. И при деформации ее корпуса может смещаться в значительных объемах, уменьшая зазор между электродами. Что, в свою очередь, чревато коротким замыканием и, в лучшем случае, выходом аккумулятора из строя. А для устаревающих или просто дешевых технологий — полноценным фейерверком.

Многие специалисты в отрасли литиевых аккумуляторов считают, что будущее за твердотельными батареями. Они потенциально способны решить сразу массу проблем. Во-первых, пресловутая пожароопасность при физическом повреждении ячеек или неправильной их эксплуатации сводится практически на нет. Во-вторых, возможность создавать гораздо более прочные элементы батарей сулит снижение их общей массы, в некоторых случаях — едва ли не на порядки. В-третьих, предлагаемые к использованию в качестве электролитов твердые полимеры устраняют целый список недостатков и особенностей, характерных для нынешних технологий создания литиевых аккумуляторов. Среди них: ограничения по напряжению, нестабильность формирования соединений анодных и катодных материалов с электролитом, а также деградация характеристик ячейки с ростом количества циклов заряд-разряд.

Уже более века человечеству известны твердые электролиты, но до недавнего времени не существовало дешевых и удобных способов их использования в промышленных масштабах. Проблема в стоимости готовых продуктов, стабильности материалов и, как ни парадоксально, чувствительности к внешним воздействиям. Поэтому твердотельные аккумуляторы используются лишь там, где эти недостатки перевешиваются достоинствами: в электрокардиостимуляторах, носимых устройствах медицинского назначения и радиочастотных метках.

Новые перспективы

Новые разработки ведутся в области сополимеров. Это сверхдлинные молекулы, составленные не из одного типа повторяющихся элементов (полимеры), а их двух и более. Применительно к твердотельным аккумуляторам первый компонент обеспечивает высокую прочность на сжатие, а второй проводит ток. Получается сэндвич, сохраняющий лучшие свойства из обоих «миров» — так же хорошо переносит заряд, как жидкие электролиты, но при этом прочный и не подверженный деформациям.

Создавать их сложно, поэтому свежие удачные разработки приковывают внимание и вселяют надежду на скорое появление нового поколения батарей. Любопытная статья с описанием нового метода создания твердого электролита для перспективных литиевых аккумуляторов опубликована на днях в рецензируемом журнале Journal of The Electrochemical Society. Ее подготовили специалисты Ок-Риджской национальной лаборатории (ORNL, крупнейший научно-исследовательский центр Министерства энергетики США), а также Университета Теннесси и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.

Исследователи объединили в одной молекуле блоки оксида полиэтилена (PEO, форма полиэтиленгликоля) и полистирола (PS). Сам по себе этот сополимер не является открытием, его используют во многих разработках. Но его ионная проводимость обратно пропорциональна твердости итогового материала. То есть, чем он более гибкий, тем лучше выполняет функцию электролита, однако теряет прочность. Обойти это неприятное свойство удалось при помощи пластификатора — диметилового эфира тетраэтиленгликоля (TEGDME). Результатом стал твердый, втрое лучше проводящий заряд и термостойкий материал. Характеристики пока недостаточны для полноценного применения в аккумуляторах, но отвечают задачам эксперимента. Иными словами, разработка продвинулась еще на шаг вперед.