Ученые увеличили срок службы, безопасность и энергоемкость аккумуляторов
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.
Результаты исследования (https://rscf.ru/project/25-19-20096/), поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ) и Санкт-Петербургского научного фонда (СПбНФ), опубликованы в Journal of Power Sources - https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2025.238677.
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.
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°С 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.
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.
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.
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.
Источник:
