Российские ученые усовершенствовали один из ключевых элементов современных литий-ионных батарей — сепаратор, который разделяет зоны, через которые перемещаются заряженные частицы. В новый образец добавили силикатные наночастицы, что обеспечило повышенную прочность, устойчивость к высоким температурам и лучшую смачиваемость электролитом — жидким компонентом аккумулятора. Разработка позволит увеличить срок службы батарей, повысить их энергоемкость и способность удерживать заряд. По мнению экспертов, опрошенных «Известиями», модифицированные устройства будут безопаснее и лучше защищены от риска взрыва.

Что такое наносвитки

Ученые из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) и филиала НИЦ «Курчатовский институт» — ПИЯФ — ИВС (Санкт-Петербург) модифицировали один из ключевых компонентов аккумуляторов, что позволит продлить срок их работы и сделает их более безопасными и энергоемкими.

В современных устройствах — от мобильных телефонов до космического оборудования — используются литий-ионные аккумуляторы. Плотность накапливаемой энергии у них выше, чем у аналогов (например, никель-кадмиевых), а потому они медленнее разряжаются, быстрее заряжаются и, кроме того, меньше весят. Однако, несмотря на многие достоинства, литий-ионные блоки питания склонны к перегревам, а при определенных обстоятельствах могут даже взорваться, рассказали ученые.

Фото: Андрей Красилин Часть коллектива соавторов: Александр Румянцев, Екатерина Храпова, Андрей Красилин, Екатерина Донда, Дарина Красилина

Безопасность аккумуляторов обеспечивают сепараторы — элементы, разделяющие положительно и отрицательно заряженные части батареи. В настоящее время их производят в основном из пористых полимерных пленок, чаще всего полиэтилена и полипропилена. Главный недостаток таких материалов заключается в том, что при нагреве выше 120 °C они склонны к усадке, то есть к уменьшению размеров, что может привести к выходу батареи из строя. Кроме того, эти пленки плохо смачиваются полярными растворителями, которые составляют основу электролита, что ухудшает движение ионов и снижает эффективность работы аккумулятора.

Для синтеза особого покрытия авторы использовали гидротермальный процесс, позволяющий приблизиться к условиям формирования природных минералов в земной коре. Исследователи покрыли сепаратор гидросиликатным составом, содержащим кремний, кислород и воду. На его поверхность нанесли суспензию из наносвитков — ультратонких атомно-плоских листов материала, которые исследователи научились сворачивать в компактные цилиндрические структуры, напоминающие свитки, — с добавлением полимерного связующего. Такая обработка значительно улучшила смачиваемость и механические свойства композиционной мембраны.

— Мы планируем продолжить модифицировать полиолефиновые сепараторы (тонкие пористые мембраны, изготовленные из полиэтилена) частицами синтетических гидросиликатов с различной структурой и морфологией, чтобы улучшить их эксплуатационные характеристики. Далее мы намерены создать сепараторы на основе нетканых материалов с внедренными частицами гидросиликатов, обладающие высокой пористостью, для работы при высоких токах заряда и разряда, — рассказал ведущий научный сотрудник, заведующий лабораторией новых неорганических материалов ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН Андрей Красилин.

Фото: Андрей Красилин Готовый к запуску автоклав для гидротермального синтеза

В дальнейшем ученые хотят попробовать создать сепаратор с минимальной толщиной на основе частиц слоистых силикатов и органического связующего, что благоприятно скажется на размерах аккумулятора в целом.

Как сделать безопасные аккумуляторы

Создание более устойчивых сепараторов — один из ключевых путей повышения безопасности и срока службы литий-ионных аккумуляторов, рассказал «Известиям» заведующий кафедрой физической химии, заместитель руководителя лаборатории ускоренных частиц НИТУ МИСИС Алексей Салимон. В данном случае использование магний-силикатных наночастиц в виде плоских и свернутых чешуек позволяет решить сразу несколько важных задач: улучшить механическую прочность, снизить риск термической усадки и обеспечить более равномерное распределение ионов.

— Всё это напрямую влияет на долговечность и безопасность аккумуляторов, особенно в устройствах, работающих при высоких токах или в условиях повышенных температур. Во всем мире ведутся работы по продлению ресурса батарей: создаются новые материалы для электродов, разрабатываются более стабильные жидкие и твердые электролиты, а также новые типы сепараторов и архитектуры аккумуляторов. Общая цель всех этих направлений — сделать батареи долговечнее, безопаснее и способными работать в более сложных условиях, — отметил эксперт.

Фото: Андрей Красилин Машина для производства функциональных покрытий по намазной технологии

Исследование направлено на решение одной из главных проблем литий-ионных аккумуляторов: как сделать их более прочными, безопасными и долгоживущими. Новый сепаратор с силикатными нанотрубками лучше выдерживает нагрев, не рвется и лучше пропитывается электролитом, за счет чего дольше сохраняется емкость и лучше держится заряд, сказал доцент Института перспективных систем передачи данных ИТМО Максим Дорогов.

— Сегодня для увеличения срока службы аккумуляторов развивается сразу несколько направлений. С одной стороны, совершенствуются сами литий-ионные батареи: дорабатываются материалы электродов и сепараторов, чтобы они выдерживали больше циклов зарядки и разрядки без значительной деградации. С другой стороны, активно развиваются так называемые постлитиевые системы — натрий-ионные, калий-ионные и другие. Хотя они иногда уступают литий-ионным по энергоемкости, эти технологии выигрывают по стоимости, безопасности и стабильности работы, — отметил специалист.

По его словам, в ИТМО также ведутся исследования, связанные с материалами для аккумуляторов и их «жизненным циклом». В институте создана специальная мембрана, которая помогает почти полностью извлекать литий из отработанных батарей и промышленных растворов. Такой подход не только снижает нагрузку на окружающую среду, но и возвращает ценный металл обратно в производство, замыкая цикл от создания до переработки сырья.

Фото: Андрей Красилин Сосуды высокого давления охлаждаются на фоне сушильного шкафа

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ) и Санкт-Петербургского научного фонда (СПбНФ), опубликованы в Journal of Power Sources.