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, поддержанногоexternal link, opens in a new tab грантом Российского научного фонда (РНФ) и Санкт-Петербургского научного фонда (СПбНФ), опубликованыexternal link, opens in a new tab в Journal of Power Sources.
Готовый к запуску автоклав для гидротермального синтезаВ 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.
Машина для производства функциональных покрытий по намазной технологииУченые из Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) и Филиала НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ — ИВС (Санкт-Петербург) модифицировалиexternal link, opens in a new tab 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.
Сосуды высокого давления охлаждаются на фоне сушильного шкафаИсследователи 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.
Перекристаллизация в сосудах высокого давления в камере сушильного шкафа
Аспирант Вадим Крафт готовится к сборке дискового макета аккумулятора в перчаточном боксе