Литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) используются в смартфонах, ноутбуках, электромобилях и электробусах. При этом энергоемкие литий-ионные аккумуляторы в России пока не производятся. Ученые из Череповца придумали, как реализовать и удешевить отечественное производство литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) на отечественном полимерном сырье, освободив его от импорта полипропиленовых пленок.
Над научным проектом работали сотрудники лаборатории математического и компьютерного моделирования наноструктур подведомственного Минобрнауки России Череповецкого государственного университета (ЧГУ). Исследование выполнено на базе совместных разработок с зарубежными учеными.
В одном из исследований, посвященных улучшению стабильности ЛИА, иностранные специалисты синтезировали полипропиленовые (ПП) пленки-сепараторы в литий-ионных аккумуляторах и провели первоначальные эксперименты по изучению их набухания и механических свойств в большом ряду растворителей.
«Однако наши коллеги не могли понять, почему, с одной стороны, во многих растворителях происходит снижение механических свойств («размягчение») ПП сепаратора, а с другой стороны, в некоторых растворителях (пропиленкарбонат и ацетонитрил) возникает пороэластический эффект, когда этот же сепаратор сохраняет свои механические свойства (в идеальном растворителе) или даже улучшает их, что очень важно для решения проблемы стабильности современных ЛИА. Полное объяснение удалось сделать только с помощью аналитической теории растворов пористых полимеров, созданной в нашей лаборатории», — рассказывает заведующая лабораторией математического и компьютерного моделирования наноструктур ЧГУ, кандидат физико-математических наук Ольга Максимова.
Для объяснения необычного поведения пористых пленок-сепараторов ведущему сотруднику этой лаборатории, доктору физико-математических наук, профессору Андрею Максимову пришлось модернизировать теорию, разработанную ранее нобелевским лауреатом по химии Полем Флори для растворов обычных, непористых полимеров. Для подтверждения теории были проведены дополнительные эксперименты.
«На основе данной работы в нашей лаборатории был разработан универсальный метод, который можно использовать для быстрой оценки совместимости различных пар «полимер — растворитель» для последующего их применения в ЛИА. На основе этого метода для любого полимерного сепаратора можно подобрать идеальный растворитель на основе всего двух дополнительных параметров, которые можно определить с помощью экспериментальных измерений коэффициента набухания сепаратора всего в двух (а не в пятнадцати) растворителях. Первый параметр измерялся в результате помещения нужного полимера всего в два раствора вместо пятнадцати, как приходилось делать химикам прежде. А второй параметр просто рассчитывается исходя из химического строения полимера и растворителя. Поэтому, как следствие, этот метод в перспективе дает возможность реализовать и удешевить отечественное производство ЛИА уже на своем полимерном сырье, освободив его от импорта полипропиленовых пленок (из США, Германии, Китая и других стран)», — рассказывает сотрудник лаборатории математического и компьютерного моделирования наноструктур ЧГУ Владислав Егоров.
В дальнейших планах ученых — выполнить расчеты значений параметров Флори — Хаггинса для пары «полимер — растворитель», а также создать отечественную программную часть модели.
Научная статья опубликована в одном из ведущих научных журналов.