Китайские химики обнаружили, что добавление в полимерный электролит литий-ионного аккумулятора вытянутых наночастиц бората магния резко увеличивает его устойчивость к открытому огню. Кроме этого, подобная добавка значительно улучшает механические свойства электролита и даже увеличивает его ионную проводимость, пишут ученые в Nano Letters.

Один из главных недостатков литий-ионных батарей — возможность их возгорания или даже взрыва в результате перегрева или механического воздействия. Основная причина этого — дендритные литиевые структуры, которые растут на поверхности анода и могут приводить к короткому замыканию внутри батареи, и легковоспламеняющийся электролит. Чтобы сделать аккумуляторы безопаснее, ученые пытаются модифицировать структуру и состав электродов или электролита, встраивают средства автоматического отключения батареи при перегреве, либо борются с последствиями возгорания.

Химики из  Чжэцзянского технологического университета под руководством Синьюна Тао (Xinyong Tao) пошли по первому пути и предложили модифицировать твердотельный полимерный электролит. Для этого материал электролита ученые объединили с твердым и огнестойким неорганическим компонентом. В качестве органической составляющей электролита ученые выбрали смесь полиэтиленгликоля с бис-(трифторметансульфонил)имидом лития (LiTFSI), а в качестве неорганической — наностержни бората магния (Mg₂B₂O₅). Отличительная черта этих наностержней — их механические свойства: твердость наночастиц составляет 15,4 гигапаскаля, а модуль упругости — 125,8 гигапаскаля. Эти наностержни можно использовать как структурный компонент композитных материалов, придающий им прочность.

Микрофотографии наностержней бората магния. O. Sheng et al./ Nano Letters, 2018

Благодаря использованию наностержней удалось не только резко улучшить механические свойства электролита, но и повысить его устойчивость к огню. Так, если чистый полимерный электролит загорается, при этом плавясь и теряя свои свойства, то после добавления даже 10 массовых процентов бората магния материал перестает загораться и плавиться, лишь слегка обугливаясь, но при этом сохраняя свои свойства. А при добавлении 20 массовых процентов бората магния на открытом огне газовой горелки с материалом не происходит практически никаких изменений. Кроме повышения прочности и твердости полимерного электролита, а также его устойчивости к открытому огню, добавление наностержней бората магния привело и к повышению его проводимости по ионам лития. Ученые отмечают, что причиной этого повышения стало взаимодействие между боратом магния и серосодержащими группами LiTFSI, которое привело к увеличению подвижности ионов. При всех исследованных температурах (от комнатной до 50 градусов Цельсия) при увеличении концентрации бората магния проводимость электролита росла и, например, при 20 массовых процентах бората магния и температуре 50 градусов Цельсия составила 370 микросименсов на сантиметр.

Схема движения ионов лития через композитный электролит, состоящий из наностержней бората магния, полиэтиленгликоля и LiTFSI. O. Sheng et al./ Nano Letters, 2018

По словам ученых, такой ионной проводимости, а также других электрохимических характеристик электролита (например, циклической емкости, которая в зависимости от температуры составляет от 50 до 150 миллиампер-часов на грамм) вполне достаточно, чтобы использовать этот материал в качестве эффективного твердотельного электролита в современных литий-ионных аккумуляторах.

Химики отмечают, что совокупность свойств предложенного ими электролита — механическая прочность, устойчивость к огню и электрохимические свойства — делает этот материал крайне перспективным для использования в современных литий-ионных аккумуляторах с полимерными электролитами. Кроме того, ученые считают, что борат магния — лишь первый материал с подобными свойствами, вслед за которым появятся и другие одномерные наноматериалы, которые смогут улучшить работу литий-ионных батарей.

Еще одна проблема большинства литий-ионных аккумуляторов — резкое уменьшение емкости при падении температуры ниже нуля. У большинства самых морозостойких батарей при температурах ниже −30 градусов Цельсия емкость при падает примерно до 10 процентов. Лишь совсем недавно китайским ученым удалось найти такой материал электролита для литий-ионных аккумуляторов, который позволяет батареям работать при отрицательных температурах вплоть до −70 градусов Цельсия, сохраняя при этом емкость в 70 процентов от емкости при комнатной температуре.

Автор: Александр Дубов