Полимеры находят все более широкое применение в электронике благодаря комплексу своих свойств: гибкости, легкости, прочности и высокой химической стойкости. Такие материалы позволяют разрабатывать новые решения для портативной электроники, гибких дисплеев и носимых устройств.
Будущее литий-ионных аккумуляторов: от жидких электролитов к полимерным решениям
В последние десятилетия литиевые аккумуляторы стали основными источниками энергии для многих устройств, начиная от мобильных телефонов и заканчивая электромобилями. Несмотря на их широкое использование, они все еще имеют ряд ограничений, таких как низкий ресурс и проблемы с безопасностью. Новые подходы, такие как использование полимерных электролитов, устраняют эти проблемы и позволяют создать более эффективные и долговечные аккумуляторы.
Литиевые аккумуляторы с жидкими электролитами
Литиевые аккумуляторы с жидким электролитом обладают большой ёмкостью, но страдают от низкого ресурса — около 100 циклов зарядки и разрядки. Это связано с формированием дефектов на аноде при перезарядке аккумулятора, что приводит к сокращению его срока службы. Несмотря на популярность таких аккумуляторов, их недостатки требуют поиска альтернатив.
Литий-ионные аккумуляторы с пористым анодом стали одним из таких решений. В этих аккумуляторах ионы лития могут интеркалироваться (встраиваться) и деинтеркалироваться (высвобождаться) в основу их углеродного материала. В то же время они обладают своими особенностями: меньшими емкостью и напряжением в сравнении с литиевыми аккумуляторами, а также те же проблемой с формированием дефектов анодов. При первом цикле заряда часть электролита расходуется на формирование защитной пленки на аноде, что может привести к выделению газов и разгерметизации корпуса аккумулятора.
Полимерные электролиты: новый шаг в развитии аккумуляторов
Эти проблемы заставили ученых начать исследование полимерных электролитов, которые обладают значительными преимуществами по сравнению с традиционными жидкими составами. Полимерные аккумуляторы более безопасны так как в них отсутствуют коррозионные жидкости. Такие аккумуляторы также имеют большее количество циклов зарядки/разрядки и могут быть более компактными, что упрощает их сборку.
На данный момент существует несколько типов полимерных электролитов:
- Твердые полимерные электролиты (ТПЭ). Эти материалы представляют собой идеальный вариант с точки зрения безопасности и удобства производства. Они обладают хорошей электрохимической стабильностью, низкой воспламеняемостью и токсичностью, а также способностью создавать прочный контакт с электродами. Однако их основная проблема — низкая ионная проводимость при комнатной температуре. Чтобы решить эту проблему, начали использовать добавки, такие как керамические наполнители, которые могут улучшить проводимость.
- Полимерные гель-электролиты (ПГЭ). Для улучшения проводимости в полимер-солевые смеси начали добавлять органические растворители — пластификаторы. Это сделало электролиты более проводящими, что улучшает их характеристики. Гель-электролиты бывают двух типов: «однородные», где химическая сшивка полимера происходит в среде жидкого органического электролита, и «гетерогенные», где полимерную матрицу пропитывают жидким электролитом.
- Композитные полимерные электролиты (КПЭ). Эти электролиты включают неорганические наполнители, такие как керамика, что значительно улучшает механические свойства материала и стабильность на границе электролит/электрод. Это решение позволяет улучшить проводимость и обеспечить более длительный срок службы аккумулятора.
Проблемы и достижения в области полимерных электролитов
Несмотря на значительные успехи в области полимерных электролитов, до сих пор существует несколько проблем, которые требуют решения. В первую очередь это проблемы с проводимостью и стабилизацией структуры электролита. Для создания более эффективных решений продолжаются исследования по улучшению составов с целью повысить их способности проводить ионы лития. Полимерные аккумуляторы уже нашли свою нишу на рынке: первые поколения литий-полимерных аккумуляторов нашли применение в портативной электронике, а сегодня активно разрабатываются более крупные аккумуляторы для электромобилей. Это открывает новые перспективы для использования полимерных электролитов в широком спектре устройств, от гаджетов до экологически чистых транспортных средств.
Заключение
Полимерные электролиты обещают стать основой для нового поколения аккумуляторов, которые будут более безопасными, долговечными и эффективными, чем их предшественники с жидкими электролитами. Исследования в этой области продолжаются, и, вероятно, в ближайшие годы мы увидим новые достижения, которые откроют путь к созданию более мощных и удобных источников энергии.
Переходите на нашу платформу polylab.sibur.ru, где собрана информация о деятельности центров, специализациях площадок в разных городах, типах исследований, доступном оборудовании, а также о вебинарах и обучающих курсах.