Литий-металлический аккумулятор, созданный по мотивам структуры мидий, предназначен для электромобилей и способен удерживать 80% своей емкости после тысячи циклов перезарядки. Применение твердого электролита способно сделать батареи для электромобилей более защищенными и расширить их рабочий ресурс.
Евгения Васильева
Иллюстративное изображение литиевых батарей, произведенных на заводе. Источник: Getty Images
Ограничить формирование дендритов
Ученые из Южной Кореи разработали трехслойный композитный твердый электролит, который усиливает перемещение ионов и ограничивает формирование дендритов в литий-металлических элементах питания. Подобные батареи способны запасать заметно больше энергии по сравнению с традиционными литий-ионными аналогами.
За счет повышенной плотности энергии электромобили могут преодолевать существенно большие расстояния на одном заряде. Однако такие системы подвержены образованию опасных литиевых наростов, что долгое время сдерживало их применение.
Для преодоления этой трудности коллектив специалистов под руководством профессора Минчоля Чанга из Чоннамского национального университета создал трехслойный твердый электролит. Данный материал демонстрирует ионную проводимость, в четыре раза превышающую показатели стандартных электролитов на основе полиэтиленоксида.
Архитектура материала была заимствована из адгезивных соединений, которые вырабатывают мидии для крепления к поверхностям. По словам Чанга, разработанный электролит предназначен для литий-металлических батарей следующего поколения, которые позволят увеличить пробег электромобилей, усилить защиту аккумуляторов, сделать портативную технику более податливой и приспособленной для ношения, а также гарантировать продолжительную службу накопителей энергии для электрических сетей.
Разработка южнокорейских ученых знаменует собой не просто очередной шаг в эволюции аккумуляторных технологий, а концептуальный сдвиг в подходе к проектированию электрохимических систем.
Использование биомиметического принципа — заимствование архитектуры природных адгезивов у мидий — позволило решить фундаментальное противоречие, которое десятилетиями сдерживало коммерциализацию литий-металлических батарей.
Традиционно высокая ионная проводимость достигалась за счет мягких, податливых полимерных матриц, однако такие материалы не обладали достаточной механической прочностью для блокирования роста дендритов.
С другой стороны, жесткие керамические электролиты обеспечивали надежную защиту, но страдали от плохого контакта с электродами и хрупкости.
Трехслойная структура, где эластичные внешние оболочки обеспечивают идеальное сопряжение, а жесткое ядро выполняет роль барьера, фактически воспроизводит стратегию, которую мидии оттачивали миллионы лет эволюции для выживания в агрессивной приливной среде.
Трехслойный композитный твердый электролит
Трехслойная структура состоит из двух податливых наружных оболочек и более жесткого центрального элемента. Наружные слои выполнены из полиэтиленсульфона с добавлением литиевой соли — бис(трифторметансульфонил)имида лития. Они обеспечивают надежное соприкосновение с электродами и выполняют функцию каналов для перемещения ионов лития.
Центральная часть, напротив, включает керамические частицы оксида лития-лантана-циркония, обработанные полидопамином, а также эластичный триблок-сополимер. Исследователи подчеркивают, что полидопамин создан на основе принципов, отвечающих за сцепление мидий с твердыми предметами.
Как пояснил Чанг, предложенный трехслойный композит, воспроизводящий природные клейкие белки, которыми мидии закрепляются на камнях, объединяет химически активные керамические включения и податливый триблок-сополимер, что усиливает ионную проводимость и механическую устойчивость.
Внутри батареи керамические частицы с покрытием связываются с полимерными цепями и формируют разветвленную сеть путей, позволяющих ионам лития передвигаться более результативно. Гибкий полимер дополнительно упрочняет конструкцию и придает ей упругость, что препятствует возникновению дендритных отложений в электролите.
Дендриты представляют собой иглоподобные литиевые образования, появляющиеся в процессе многократной зарядки; при проникновении в электролит они способны спровоцировать внутреннее замыкание и создать значительную угрозу безопасности.
Ключевым элементом, связывающим всю трехслойную конструкцию воедино, является полидопамин — синтетический аналог белка, отвечающего за сцепление мидий с мокрыми камнями. Его роль выходит далеко за рамки простого «клея». Полидопамин образует прочные химические связи как с керамическими частицами оксида лития-лантана-циркония, так и с полимерными цепями триблок-сополимера, создавая непрерывную сеть проводящих каналов.
Эта сеть не просто ускоряет перемещение ионов лития, но и равномерно перераспределяет механические напряжения, возникающие при зарядке и разрядке. Именно такое сочетание химической активности и механической упругости позволяет электролиту «дышать» вместе с электродами, предотвращая образование микротрещин, через которые обычно прорастают дендриты.
Результат впечатляет: ионная проводимость, в четыре раза превышающая стандартный полиэтиленоксид, и число переноса лития 0,81 означают, что почти весь ионный ток в системе создается именно ионами лития, а не побочными анионами, что критически важно для снижения внутреннего сопротивления и нагрева.
Увеличение запаса хода электромобилей
В ходе экспериментов оптимизированный вариант электролита, содержащий 30% по массе керамического наполнителя с полидопаминовым покрытием и равные по толщине слои, продемонстрировал ионную проводимость, почти в 4 раза превышающую параметры традиционного полиэтиленоксида.
Число переноса лития составило 0,81, что указывает на то, что значительная доля ионного тока обеспечивается именно ионами лития. При проверке на полную емкость батарея выдала 133,6 миллиампер-часа на грамм и сохранила свыше 80% исходной емкости даже после 1000 циклов зарядки и разрядки.
Цифры, полученные в ходе испытаний, говорят сами за себя: удельная емкость 133,6 мАч/г и сохранение более 80% емкости после тысячи циклов — это не лабораторный курьез, а инженерно значимый результат, приближающий технологию к практическому внедрению.
Для сравнения, большинство современных литий-ионных батарей с жидким электролитом теряют до 20% своей емкости уже к 500 циклам, а деградация ускоряется при высоких токах заряда.
Литий-металлический анод с таким твердым электролитом теоретически способен обеспечить плотность энергии, в два-три раза превышающую показатели традиционных графитовых анодов. Это означает, что электромобиль с батареей того же веса и объема сможет проезжать на одном заряде не 400–500 километров, а 800–1000 и более. Столь существенный прирост запаса хода может стать тем самым фактором, который окончательно устранит «тревогу дальности» — главный психологический барьер для массового перехода на электротранспорт.
Дополнительно специалисты оценили механическую прочность материала. Гибкий литий-ионный элемент продолжал питать светодиодный индикатор даже после того, как его согнули и частично надрезали. Как сообщили авторы работы, трехслойная мембрана изготавливалась методом диспергирования в растворителе, ленточного литья, термической ламинации и горячего прессования.
Чанг полагает, что представленная трехслойная технология способна проложить дорогу к созданию электромобилей с увеличенным запасом хода и более надежных аккумуляторов, а также к производству гибкой электроники, носимых устройств и накопителей энергии для электросетей. Результаты исследования были
опубликованы в журнале Advanced Materials 3 августа.
Путь к масштабированию
Однако путь от лабораторного прототипа до серийного производства требует решения ряда инженерных задач. Прежде всего, это масштабирование технологии изготовления трехслойной мембраны. Метод диспергирования в растворителе, ленточное литье, термическая ламинация и горячее прессование — все это хорошо отработанные промышленные процессы, но их интеграция в единую производственную линию с контролем качества на наноуровне потребует значительных инвестиций.
Кроме того, необходимо обеспечить стабильность характеристик электролита в широком диапазоне рабочих температур, особенно при отрицательных значениях, когда ионная проводимость полимерных компонентов обычно падает.
Южнокорейские исследователи, по-видимому, осознают эти вызовы, что отражается в их заявлениях о следующих этапах работы, которые должны включать длительные испытания в реальных условиях эксплуатации электромобилей и в системах стационарного хранения энергии для электросетей.
Тем не менее, уже сейчас очевидно, что данная работа открывает новые горизонты не только для электромобильной отрасли. Возможность создавать гибкие, механически устойчивые и безопасные литий-ионные элементы питания способна радикально изменить рынок портативной электроники.
Представьте смартфон, который можно складывать пополам без риска повреждения аккумулятора, или медицинский имплантат, который сохраняет работоспособность при постоянных изгибах, повторяющих движения тела.
Накопители энергии для солнечных электростанций, работающие в условиях перепадов температур и вибраций, также выиграют от повышенной надежности и долговечности таких батарей.
Исследование, опубликованное в Advanced Materials, — это не просто научная публикация, а практическое доказательство того, что природа уже нашла оптимальные решения для самых сложных инженерных проблем, и задача ученых — лишь правильно считать и воспроизвести эти решения в современных материалах.