Современные литий-ионные аккумуляторы широко используются — от портативной электроники до электротранспорта. Принцип их работы основан на перемещении ионов лития между анодом и катодом через электролит, который может быть жидким или твердотельным. Традиционные аккумуляторы с жидким электролитом обеспечивают высокую производительность и могут выдавать большую мощность. Однако они легко воспламеняются и есть риск утечки токсичных компонентов. Ячейки с твердотельными электролитами надежнее, но демонстрируют существенное падение энергии на высоких скоростях заряда-разряда. Из-за этого производители электроники вынуждены выбирать между мощностью и безопасностью устройства.
«Эта дилемма и стала нашей основной мотивацией. Наша работа была направлена на разработку гель-полимерного электролита, использование которого, позволяет объединить два ключевых качества в одном литий-ионном аккумуляторе нового поколения: высокая мощность и безопасность», — рассказала соавтор статьи, к. х. н. Олеся Капитанова.
Вместо традиционного перебора материалов ученые провели ряд «виртуальных экспериментов» на основе комплексной электрохимической и механической модели. Этот метод позволил достаточно точно и быстро спрогнозировать, как керамические наполнители разного размера будут влиять на ключевые свойства полимерного электролита. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Energy Storage.
Исследователи обнаружили, что наилучшим решением будет использование наноразмерных твердоэлектролитных частиц состава Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3. Их применение привело к неожиданным результатам. Частицы равномерно распределились в полимерной матрице даже при низкой концентрации. Это значительно повысило механическую прочность и обеспечило быстрый транспорт ионов лития. Моделирование показало, что увеличение размеров частиц приводит к обратному эффекту и ухудшает работу аккумулятора. Предложенный подход, основанный на моделировании, позволил избежать многомесячных экспериментов и сразу нацелиться на получение оптимального электролита.
«Перед нами возникла новая задача: эффективный синтез этих керамических проводящих по иону лития частиц. Существующие методы низкоэффективные и требуют более 10 часов синтеза, что не позволяет получать чистый материал с размером частиц менее 100 нм. Наша команда разработала инновационный „пламенный золь-полимерный метод”», — поделилась Олеся Капитанова.
Ключевой этап нового синтеза — предварительный обжиг реагентов в пламени. Благодаря этому формируются твердоэлектролитные частицы без побочных примесей всего за 30 минут, что на порядок быстрее традиционных подходов.
Эксперименты с новым электролитом продемонстрировали выдающиеся результаты:
- Стабильность при высоких температурах: материал сохраняет форму и структуру даже при 180 °C. В таких условиях коммерческие электролитные сепараторы не выдерживают и разрушаются, приводя к короткому замыканию аккумулятора. Это открывает путь к созданию безопасных аккумуляторов нового поколения.
- Прочность и долговечность: новый электролит не уступает по прочности коммерческому аналогу, что является необходимым критерием при производстве и эксплуатации аккумуляторов.
- Высокая скорость заряда-разряда: тестирование прототипов аккумулятора на полученном электролите показало, что они сохраняют 85% емкости после 500 циклов быстрого перезаряда (4C). Более того, устройства оставались эффективными даже при сверхвысокой скорости разряда (10C). Для коммерческих аккумуляторов такой режим является серьезной нагрузкой, что зачастую приводит к деградации характеристик.
Разработанный научной группой электролит представляет собой перспективную альтернативу жидким и твердотельным аналогам. Простая и масштабируемая технология синтеза делает его привлекательным для массового производства. Применение предложенной разработки может ускорить внедрение более надежных и энергоэффективных устройств — от электромобилей до смартфонов и других устройств на аккумуляторах.
Исследование — результат сотрудничества ученых из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, Научного центра перспективных междисциплинарных исследований «Идея», Куньминского университета науки и технологий (Китай), Московского физико-технического института, Сианьского университета Цзяотун (Китай), Исследовательского центра новых технологий XPANCEO (ОАЭ) и Государственного университета «Дубна».