Долгая зарядка электромобилей и смартфонов и постепенное снижение ёмкости аккумуляторов - известная проблема. Ускорить зарядку и продлить срок службы могли бы батареи следующего поколения с высокой плотностью энергии, но при быстрой зарядке внутри элементов накапливаются отложения, которые ухудшают работу и повышают риск возгорания. Группа исследователей из Кореи предложила технологию, создающую для ионов лития своеобразную "скоростную трассу".

Команда под руководством профессоров Дон Ки Юна и Хе Рён Бён с химического факультета Корейского института передовых технологий (KAIST) разработала сепаратор - пористую разделительную мембрану - для литий-металлических аккумуляторов. Учёные научились точно управлять путями движения ионов лития, регулируя ориентацию молекул жидкокристаллических полимеров. Результаты опубликованы в журнале ACS Nano.

Литий-металлические батареи способны запасать больше энергии, чем обычные. Однако при зарядке литий может осаждаться в виде острых ветвистых структур - дендритов. Они сокращают срок службы и могут повредить внутреннюю мембрану, вплоть до взрыва. Исследователи использовали жидкие кристаллы, которые сочетают упорядоченность твёрдого тела с текучестью жидкости. Обработкой поверхности можно менять ориентацию их молекул, и это свойство применили, чтобы регулярно выстраивать каналы для ионов лития.

На основе этой технологии создали пористый жидкокристаллический полимерный сепаратор с нанопорами. В него включили цепи полиэтиленгликоля (PEG) - полимера, облегчающего перенос ионов лития. Учёные могли свободно задавать вертикальное или горизонтальное направление молекул и сравнивали, как это влияет на транспорт ионов.

Оказалось, что при вертикальном выравнивании молекул сепаратор образует подобие "хайвея", по которому ионы лития движутся прямо к электродам. По сравнению с горизонтальным вариантом извилистость пути ионов - показатель того, насколько маршрут отклоняется от прямого, - снизилась примерно в 2,5 раза. Ионы двигались быстрее и равномернее, что подавляло рост дендритов и заметно повышало стабильность.

Новый сепаратор испытали в реальной литий-металлической батарее. Даже в жёстких условиях быстрой зарядки с высоким показателем 4C после 100 циклов заряда-разряда элемент сохранил 94% начальной ёмкости. Показатель C отражает скорость заряда и разряда: 1C соответствует полной зарядке примерно за час, 2C - за 30 минут, 4C - за 15 минут. Иными словами, речь идёт о зарядке за четверть часа.

"Работа показывает, что управление ориентацией молекул жидкокристаллических полимеров позволяет эффективно проектировать пути переноса ионов лития и тем самым улучшать характеристики и стабильность батарей, - отметил Юн. - Мы рассчитываем, что подход поможет развитию технологий аккумуляторов следующего поколения с высокой плотностью энергии, для которых важны большой запас хода и быстрая зарядка".

Это лабораторный результат, а не готовый коммерческий продукт. Авторы не сообщают о сроках выхода технологии на рынок или о характеристиках будущих серийных батарей.

Источник: Tech Xplore