Новый тип геля, разработанный химиками из Университета Мартина Лютера в Галле-Виттенберге (MLU), может помочь сделать литий-ионные батареи более безопасными и мощными. Гель предназначен для предотвращения утечки легковоспламеняющейся электролитной жидкости.
Первоначальные лабораторные исследования показывают, что это также улучшает производительность и срок службы батарей. Исследователи опубликовали свою работу в журнале Advanced Functional Materials.
Литий-ионные батареи — настоящие электростанции. «Они заряжаются быстрее обычных перезаряжаемых батарей и поэтому могут использоваться практически во всех сферах жизни», — говорит профессор Вольфганг Биндер, руководитель исследовательской группы макромолекулярной химии в MLU.
«Однако электролиты, которые транспортируют ионы, проводящие ток между электродами, легко воспламеняются. Это может привести к возгоранию или взрыву батареи, если она повреждена».
Исследователи MLU работают над повышением безопасности литий-ионных аккумуляторов . «Мы разработали полимер, который можно заполнить в ячейку аккумулятора. Электролит связан с этим веществом, однако ионы могут продолжать свободно циркулировать между электродами», — объясняет доктор Аня Маринов, химик MLU.
«Начинка имеет гелеобразную консистенцию и сочетает в себе высокую проводимость жидкостей с термостойкостью и прочностью полимеров».
Гелевые батареи с традиционными электролитами по сути не являются чем-то новым; они используются в качестве стартерных батарей в мотоциклах, например. Однако в сочетании с литий-ионными они представляют собой неизведанную технологическую территорию.
Во многом это связано с одной конкретной проблемой. «В обычных литий-ионных аккумуляторах жидкие электролиты создают стабилизирующий слой на электродах, когда аккумулятор впервые заряжается. Это имеет решающее значение для производительности и срока службы аккумулятора», — объясняет Маринов.
«Однако нам требовалась принципиально новая конструкция, когда дело касалось гелевых электролитов». Исследователи решили эту проблему, интегрировав ионный каркас в молекулярные цепи полимера.
Первые тестовые запуски в лаборатории показывают, что этот подход может повысить безопасность батареи и даже улучшить срок службы и производительность. «Около 3,6 вольт считается критическим значением для стабильности электролитов в обычных литий-ионных элементах», — говорит Биндер. «Наши гелевые электролиты остаются стабильными даже при напряжении более 5 вольт».
Устойчивость также является приоритетом: гели разработаны таким образом, чтобы их можно было относительно легко переработать в случае дефекта или по окончании срока службы батареи. Однако, прежде чем новые литий-гелевые батареи можно будет производить в промышленных масштабах, необходимо провести обширные долгосрочные исследования.
Научно-исследовательская работа проводилась в рамках проекта «BAT4EVER». В проекте приняли участие университеты, исследовательские центры и промышленные партнеры из Германии, Бельгии, Люксембурга, Италии, Испании и Турции.
Планируется продолжить исследования и расширить их, особенно в области устойчивого развития, в рамках «Европейского центра исследований справедливого перехода и трансфера, ориентированного на воздействие (JTC)». Центр, который в настоящее время создается в MLU, будет разрабатывать основанные на исследованиях решения, которые поддерживают структурные изменения в Саксонии-Анхальт, например, в области экономики замкнутого цикла или социальных инноваций.
