Ученые из Института химии твердого тела и механохимии СО РАН в коллаборации со специалистами из Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН получили композиционный твердый электролит с высокой проводимостью. Он не подвержен деградации под воздействием тока и остается стабильным при температуре до 200 °С.

Металлорганические каркасные структуры (МОК) — довольно необычный и перспективный материал. Благодаря своим необычным структурным свойствам — микропористые структуры с высокой идентичностью пор, размер которых составляет до единиц нанометров — один грамм такого композита может обладать площадью поверхности до 3—5 тысяч кв. м. и использоваться как адсорбенты, газоселективные мембраны.

«Это высокопористая структура. Мы поместили в его поры литиевую соль (перхлорат лития) и исследовали свойства полученного композита. Была идея получить композиционный твердый электролит, обладающий высокой проводимостью по ионам лития. Она сопоставима с проводимостью жидких электролитов, которые обычно используются в литиевых источниках тока. Материал перспективен для литиевой электрохимической энергетики, для создания твердотельных электрохимических устройств на базе полностью твердотельных аккумуляторов (all-solid-state batteries)», — объясняет старший научный сотрудник лаборатории неравновесных твердофазных систем ИХТТМ СО РАН кандидат химических наук Артём Сергеевич Улихин.

Композиционные твердотельные электролитные системы имеют ряд преимуществ перед жидкими. Во-первых, они позволяют изменять механические и транспортные свойства путем варьирования микроструктуры и концентрации инертного наполнителя. Во-вторых, такие системы устойчивы к высоким температурам (выдерживают длительный нагрев до 150 °С и кратковременный нагрев до 200—250 °С, сохраняя при этом свои свойства).

«Всё зависит как от матрицы, так и ионной соли. Конкретно наш электролит остается стабильным при температурах до 150 °С и способен выдерживать тепловые удары до 200 °С», — отмечает ученый.

В литературе на сегодняшний день описано много твердотельных источников тока, но чаще всего для них используются керамические материалы, в них достаточно сложно создать развитую поверхность между электродом и электролитом. Это приводит к тому, что контакт между электродом и электролитом не очень хороший. Помимо этого, необходимо, чтобы электролит был очень тонким (доли микрон) для снижения внутреннего сопротивления конечного устройства.

«Необходимо обеспечить хороший контакт между электролитом и электродом. Керамика очень прочная, но, к сожалению, с ней это трудно реализуемо. Наш материал изначально представляет собой порошок, который в дальнейшем можно формовать в каком угодно виде, в том числе создавать градиентный переход между электродом и электролитом. В общем, он позволяет создать хорошую границу контакта, что позволяет повысить энергоэффективность конечного твердотельного электрохимического устройства», — рассказывает Артём Улихин.

По словам исследователя, производство материала в лабораторных масштабах такое же недорогостоящее, как и для жидких электролитов. Но плюс еще и в том, что для их получения не требуется высоких температур (для керамики необходимо до 1000 °С, чтобы получить однофазный, плотный и тонкий материал, там есть ряд больших трудностей и проблем). С созданным в ИХТТМ СО РАН материалом таких сложностей нет.

За синтезирование материала отвечает лаборатория металлорганических координационных полимеров, которой заведует член-корреспондент РАН Владимир Петрович Федин.