Ученые из Санкт-Петербурга разработали инновационный органо-неорганический сепаратор на основе силикатных нанотрубок, который способен повысить качественные характеристики и срок службы литий-ионных аккумуляторов — ключевых элементов питания для мобильных устройств, электроинструментов, электромобилей и космической техники.
Обычные сепараторы, разделяющие зоны катода и анода внутри батареи, изготавливают из пористых полимеров, таких как полиэтилен или полипропилен. Однако при нагреве выше 120°C эти материалы склонны к термической усадке, что может привести к дефектам и отказам батарей. Кроме того, они плохо смачиваются электролитом, что снижает подвижность ионов и ухудшает работу аккумулятора.
Как работают силикатные нанотрубки
В новой разработке исследователи модифицировали традиционный полимерный сепаратор покрытием из синтетического слоистого гидросиликата, формирующегося в структуру нанотрубок и наносвитков в процессе гидротермального синтеза. Это значительно улучшает смачиваемость электролита и механические свойства мембраны, уменьшая термическую усадку и повышая прочность компонента.
Благодаря такой структуре ионов лития становится легче перемещаться через сепаратор, что выравнивает поток ионов и уменьшает риск образования литиевых дендритов — концентраций металла на аноде, способных вызывать короткие замыкания и преждевременный износ батареи.
Созданный материал обладает повышенной устойчивостью к высоким температурам и улучшенной совместимостью с электролитом, что в перспективе должно увеличить энергоемкость и длительность эксплуатации аккумуляторов.
Планы на будущее
Исследование, поддержанное грантами Российского научного фонда и Санкт-Петербургского научного фонда, опубликовано в Journal of Power Sources. По словам ведущих разработчиков, текущая задача — адаптировать материалы для практического применения в батареях с высокой плотностью энергии и к работе при нагрузках, характерных для электромобилей и стационарных систем хранения энергии.
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.Андрей Красилин
По словам исследователя, в перспективе — создание сепараторов на базе нетканых материалов высокой пористости с внедренными частицами гидросиликатов, а также сепаратора с минимальной толщиной на основе слоистых силикатов и органического связующего. Это позволит уменьшить размеры батареи в целом.
Новая технология может стать важным шагом к созданию более надежных аккумуляторов следующего поколения, отвечающих растущим требованиям к эффективности, безопасности и долговечности энергосистем.
Еще об одном прорыве российских ученых к энергетике будущего читайте в материале Hi-Tech Mail.