Учёные создали новый полимер, который позволит заряжать батареи быстрее и без риска возгорания

Литий-ионные батареи — основа почти всей современной портативной электроники и электромобилей, хотя далеко не все понимают, как работают батарейки. И в них до сих пор используют легковоспламеняющиеся жидкие электролиты. Именно из-за них время от времени загораются ноутбуки, электросамокаты и электрокары. Безопасная альтернатива существует давно — полимерные ионные жидкости (PIL), которые не горят. Но у них была серьёзная проблема: ионы двигались через них слишком медленно. Группа исследователей выяснила, почему так происходит, и предложила решение, которое увеличивает проводимость до десяти раз. И это может изменить многое.

Схематичное устройство литий-ионной батареи с жидким электролитом, который представляет пожарную опасность

Почему загораются литий-ионные аккумуляторы

Внутри каждой литий-ионной батареи есть электролит — вещество, через которое ионы лития перемещаются между электродами при зарядке и разрядке. В большинстве современных аккумуляторов электролит жидкий и содержит органические растворители. Эти растворители отлично проводят ионы, но у них есть критический недостаток: они легко воспламеняются.

Именно поэтому повреждённая или перегретая батарея может загореться или даже взорваться (у вас когда-нибудь взрывался повербанк?). Проблема безопасности литий-полимерных аккумуляторов особенно остро стоит в электромобилях и устройствах с быстрой зарядкой, где токи и температуры выше. Неудивительно, что многие до сих пор спорят, безопаснее ли электромобили.

Полимерные ионные жидкости (PIL) давно рассматривались как замена: они не горят и не испаряются. Но до сих пор им не хватало скорости — ионы через них двигались слишком медленно для практического применения.

Наноструктура полимера со слоистой организацией: дефекты-тупики задерживают ионы лития.

Как работают полимерные электролиты в аккумуляторах

Чтобы сделать PIL достаточно прочными для реальных устройств, исследователи соединяют их с жёстким полимером. Получается так называемый блок-сополимер — материал, в котором чередуются мягкие ионопроводящие и жёсткие структурные блоки.

Эти блоки «не любят» смешиваться друг с другом и самопроизвольно выстраиваются в упорядоченные наноструктуры — что-то вроде слоёного пирога на молекулярном уровне. Именно по мягким слоям этого «пирога» и должны перемещаться ионы лития. Звучит элегантно, но на практике структура получалась далеко не идеальной.

«Блок-сополимеры — это удивительное сочетание химии и самоорганизации, — объясняет исследователь Сэмюэл Адоти. — Даже небольшое изменение в химии может существенно повлиять на то, как материал организуется и ведёт себя».

Еще больше познавательных статей вы найдете в нашем Telegram-канале. Подпишитесь прямо сейчас!

Почему полимерные электролиты хуже проводили ионы

Главное открытие команды под руководством Гилы Стейн — обнаружение «ионных ловушек» внутри полимера. При самосборке наноструктуры неизбежно возникают дефекты — сбои в упорядоченности слоёв. Исследователи предположили, а затем экспериментально подтвердили, что эти дефекты работают как тупики: ионы заходят в них и застревают, не добираясь до электрода.

«Процесс самосборки содержит множество несовершенств, — говорит Стейн. — Мы предполагали, что некоторые из этих дефектов действуют как тупики и блокируют движение ионов из материала».

Чтобы проверить гипотезу, команда создала несколько вариантов материала с разной структурой и отследила, как изменения влияют на проводимость. Результат оказался однозначным: чем меньше дефектов — тем быстрее ионы.

Как новый полимер увеличил проводимость аккумуляторов в 10 раз

Исследователи сосредоточились на ламеллярных (слоистых) структурах, потому что в них проще всего отследить движение ионов. Изучив связь между типами дефектов и проводимостью, они разработали набор проектировочных правил для создания блок-сополимеров с минимальным количеством «тупиков».

Результат: ионная проводимость выросла на порядок — примерно в десять раз — при сохранении механической прочности материала.

Это принципиально важно, потому что раньше инженеры стояли перед выбором: либо мягкий материал, который хорошо проводит ионы, но слишком непрочен для реального устройства, либо прочный, но медленный. По сути, команда показала, что проблема была не в самом материале, а в контроле качества его внутренней архитектуры.

«Эта система из чередующихся слоёв наглядно демонстрирует, как ионные компоненты влияют на расстояние между слоями, подвижность ионов и структурную стабильность блок-сополимера», — пояснил Сэмюэл Адоти.

Исследователь с тонкой полимерной плёнкой — потенциальным электролитом для безопасных батарей.

Как новый полимер сделает аккумуляторы безопаснее и быстрее

Повышение ионной проводимости в твердотельных электролитах — одна из ключевых задач на пути к по-настоящему безопасным и при этом быстро заряжающимся аккумуляторам. Если ионы движутся быстрее, батарея может заряжаться и отдавать энергию эффективнее, а отсутствие горючего электролита снимает главную причину возгораний. Именно на этом фоне уже не выглядят фантастикой разговоры о зарядке за 5 минут.

Пока речь идёт о фундаментальном исследовании, опубликованном в журнале Macromolecules. До коммерческих батарей с такими электролитами ещё далеко: нужно проверить материал в реальных ячейках, оценить долговечность и стоимость производства.

Однако разработанные принципы проектирования применимы не только к батареям. Авторы отмечают, что те же подходы могут пригодиться в тонкоплёночной электронике и актуаторах — устройствах, преобразующих электрический сигнал в механическое движение.

Если хотите обсудить новость с другими читателями, заходите в наш Telegram-чат!

Главная ценность работы — не конкретный материал, а понимание того, почему безопасные полимерные электролиты до сих пор проигрывали жидким. Теперь, когда причина найдена и способ борьбы с ней описан, у разработчиков батарей следующего поколения появился чёткий ориентир: не просто делать полимер прочнее или мягче, а контролировать порядок на наноуровне. И это, возможно, именно тот шаг, который нужен, чтобы негорючие аккумуляторы наконец стали не только безопасными, но и достаточно быстрыми.