Силикатные нанотрубки увеличат качество и срок службы аккумуляторов

Ученые создали новый органо-неорганический сепаратор — часть аккумулятора, разделяющую катодное и анодное пространства, то есть зоны, между которыми переносятся заряженные частицы. За счет включения силикатных наночастиц новый образец обладает повышенной прочностью, устойчивостью к высоким температурам и смачиваемостью электролитом — жидким компонентом аккумулятора. Разработка позволит увеличить срок службы аккумуляторов, а также их энергоемкость и способность удерживать заряд. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ) и Санкт-Петербургского научного фонда (СПбНФ), опубликованы в Journal of Power Sources.

В современных устройствах — от мобильных телефонов до космического оборудования — используются литий-ионные аккумуляторы. Плотность накапливаемой энергии у них выше, чем у аналогов (например, никель-кадмиевых аккумуляторов), а потому они медленнее разряжаются, быстрее заряжаются и, кроме того, меньше весят. Однако, несмотря на многие достоинства, литий-ионные аккумуляторы склонны к перегревам, а при определенных обстоятельствах могут даже взорваться. Безопасность аккумулятора обеспечивают сепараторы — элементы, которые разделяют положительно и отрицательно заряженные части аккумулятора. Сейчас их делают в основном из пористых пленок полимеров, чаще всего полиэтилена и полипропилена. Их недостаток в том, что при нагревании выше 120°C они склонны к усадке, то есть к уменьшению размеров, а это может привести к выходу аккумулятора из строя. Кроме того, они плохо смачиваются полярными растворителями, составляющими основу жидкого компонента аккумулятора. Это ухудшает перемещение ионов, которое обеспечивает работу устройства.

Ученые из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) и Филиала НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ — ИВС (Санкт-Петербург) модифицировали полипропиленовый сепаратор покрытием из синтетического слоистого гидросиликата, что позволило значительно улучшить смачиваемость и механические свойства композиционной мембраны.

Для синтеза гидросиликата авторы использовали гидротермальный процесс, позволяющий приблизиться к условиям формирования природных минералов в земной коре. Этот метод дает возможность повысить растворимость нерастворимых в обычных условиях соединений, таких как оксиды магния и кремния, за счет повышенных температуры и давления, а также различных минерализаторов (растворов солей, кислот и щелочей). В процессе перекристаллизации в устройстве, поддерживающем высокое давление (в автоклаве), сформировался уникальный по структуре силикат, слои которого склонны к самопроизвольному изгибу и сворачиванию в нанотрубки и наносвитки.

Исследователи покрыли сепаратор гидросиликатным составом, нанеся на него суспензию из наносвитков и полимерного связующего. Полученный гибридный сепаратор обладал увеличенными пределом прочности на разрыв и предельным растяжением, улучшенной смачиваемостью компонентами электролита, а также уменьшенной термической усадкой. Предложенное покрытие позволило выровнять поток ионов лития через сепаратор, обеспечить их более равномерное осаждение на аноде (одном из элементов, проводящих ток) и снизить вероятность образования литиевых дендритов — избытка лития на аноде, которое может вызвать короткое замыкание.

«Мы находимся в начале пути, цель которого — создание линейки различных по строению и назначению гибридных сепараторных мембран. Мы планируем продолжить модифицировать полиолефиновые сепараторы частицами синтетических гидросиликатов с различной структурой и морфологией, чтобы улучшить их эксплуатационные характеристики. Далее мы планируем создать сепараторы на основе нетканых материалов с внедренными частицами гидросиликатов, обладающие высокой пористостью, для работы при высоких токах заряда и разряда. Наконец, мы хотим попробовать создать сепаратор с минимальной толщиной на основе частиц слоистых силикатов и органического связующего, что благоприятно скажется на размерах аккумулятора в целом», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного РНФ, Андрей Красилин, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией новых неорганических материалов ФТИ имени А.Ф. Иоффе РАН.