Корейские химики разработали гибридный композитный материал, который можно использовать в качестве токопроводящих элементов и электродов в растягиваемых литий-ионных аккумуляторах. Электропроводность в батареях на основе таких материалов даже при растяжении на 200 процентов падает не больше, чем в полтора раза, пишут ученые в Advanced Energy Materials.

Источники питания для гибкой электроники (например, для «умной одежды») должны растягиваться таким образом, чтобы при этом не происходило изменения электрических и механических свойств батареи. В качестве возможных элементов питания иногда рассматривают литий-ионные аккумуляторы, однако известно, что они небезопасны и при деформации могут загореться или взорваться. В качестве более безопасной альтернативы ученые предлагают использовать литий-ионные аккумуляторы с водными электролитами, однако и для таких элементов пока не предложено материалов, которые при многократной деформации не теряют своей эффективности и проводящих свойств. Обычно в качестве проводящих элементов растягиваемых батарей пытаются использовать или проводящие полимеры или композитные материалы, в которых проводящая и упругая части разделены, но большинству предлагаемых вариантов или не хватает механической устойчивости, или при больших растяжениях слишком сильно падает их электропроводность.

Химики под руководством Суджина Пака (Soojin Park) из Ульсанского национального университета науки и технологий предложили использовать в водных литий-ионных аккумуляторах электроды и токопроводящие элементы, состоящие из гибридного композитного материала, включающего в себя углеродные нанотрубки, углеродную сажу и упругий инертный полимерный материал. Принцип работы такого композита заключается в том, что полимерное вещество может свободно растягиваться до достаточно больших деформаций, при этом за счет перестройки проводящего углеродного наполнителя материал не теряет в электропроводности.

Микрофотографии полимерного материала при растяжении. Woo-Jin Song et al./ Advanced Energy Materials, 2018

Изменение конфигурации проводящей углеродной сетки при растяжении. Woo-Jin Song et al./ Advanced Energy Materials, 2018

Для получения таких материалов на упругую полимерную матрицу на основе инертного полиэфирного соединения ученые наносили два типа углеродных материалов: нанотрубки диаметром около 50 нанометров и наночастицы сажи. В результате на пористой полимерной матрице с порами от 60 до 100 микрон образовывалась сеть нанотрубок, покрытых небольшими сферическими частицами.

Авторы работы сравнивают такую структуру электрода с жаботикабой или «бразильским виноградом» — деревом, плоды которого растут гроздьями на стволе и главных ветвях. Наночастицы, которые, как плоды жаботикабы, покрывают нанотрубки, становятся своеобразными мостиками между ними, что позволяет сохранять электрический контакт при растяжении за счет изменения конфигурации сети и переключения с одного контакта на другой.

Фотография жаботикабы (слева) и микрофотографии углеродной части композитного материала (CNT — нанотрубки, CB — наночастицы углеродной сажи). Woo-Jin Song et al./ Advanced Energy Materials, 2018

Оказалось, что такой материал можно свободно растягивать в три раза, так что его электропроводность падает не более, чем в полтора раза (для растяжения в два раза — не более, чем на 10 процентов). Предложенный механизм изменения конфигурации проводящей сети нанотрубок при больших растяжении авторы работы изучили с помощью малоуглового рентгеновского рассеяния.

Чтобы показать, что этот материал действительно можно использовать в растягиваемых аккумуляторах, его электрохимические свойства проверили на водном литий-ионном аккумуляторе с катодом на основе манганата литий-марганцевой шпинели LiFe₂O₄ и углеродных нанотрубок и углеродным анодом с полиимидным покрытием. Разработанный химиками углерод-полимерный материал в данной батарее выполнял роль клемм-токосъемников.

Емкость литий-ионного аккумулятора с токосъемниками из такого гибридного материала составила около 90 миллиампер-часов для одного грамма материала. За 500 циклов растягивания/сжатия емкость батареи падает не больше, чем на семь процентов. При этом растяжение до 100 процентов не влияет на мощность, которую такая батарея подает на светодиод, — она сохраняется на уровне 100 процентов.

Использование водных электролитов для литий-ионных аккумуляторов позволяет повысить их безопасность и экологичность батарей. Проблема их использования состоит в их ограниченной электрохимической стабильности, которую, однако, можно повысить за счет использования твердой интерфазы на электродах.

Автор: Алекснадр Дубов