Новости химической науки > Сополимеры для гибких электродов литий-ионных аккумуляторов

Гибкая и растяжимая электроника – концепция, которую до недавнего времени можно было бы считать радикальной, в настоящее время уже никому не кажется фантастичной, и мы с нетерпением ждем того момента, когда привычная одежда сможет превратиться в электронные устройства.

Такие электронные устройства, которые смогут, например, отслеживать и передавать информацию о состоянии здоровья человека-носителя, могли бы стать более доступными, если бы у нас имелись в наличии тонкие и гибкие источники питания, способные снабжать энергией электронные устройства. Однако большая часть источников питания отличается значительным объемом, они представляют собой жесткие устройства, компоненты которых зачастую хрупки.

Можно сказать, что исследователи сделали уверенный шаг по направлению к созданию таких устройств питания, устранив хрупкость электродов литий-ионного аккумулятора с помощью гибридного материала, состоящего из пентоксида ванадия (V₂O₅). Новый материал не только позволяет превратить хрупкий и жесткий электрод в надежную и эластичную пластинку толщиной не больше бумажного листа, но и дает возможность оптимизировать электрохимические свойства электрода и аккумулятора.

Рисунок из Sci. Rep. 2015, DOI: 10.1038/srep14166

Оксид V₂O₅ привлек внимание специалистов по источникам питания из-за того, что этот недорогой оксид потенциально может отличаться большой емкостью заряда из-за своей способности накапливать и высвобождать большие количества лития. Также из оксида пятивалентного ванадия просто приготовить тонкие материалы, что является немаловажным фактором для изготовления электродов. Однако недостатком V₂O₅ является низкая скорость транспорта ионов, а также и то, что в процессе зарядки/разрядки V₂O₅ изменяется в объемах, в результате такой деформации он просто может разрушиться.

Чтобы решить эту проблему, Хиосун Ань (Hyosung An), Джаред Майк (Jared Mike) и Джоди Люткенхаус (Jodie L. Lutkenhaus) использовали простой «водный» процесс для того, чтобы получить смесь V₂O₅ с блоксополимером – поли(3-гексилтиофен)-полиэтиленоксидом – полимером, состоящим из доменов, способных к ионной и электронной проводимости. Исследователи подобрали оптимальное соотношение компонентов в комбинированном материале, предполагая, что рано или поздно такие гибриды смогут улучшить механические свойства гибких электронных устройств, не «жертвуя» их электрическими свойствами. Правда, следует отметить то, что добавка полимера понижает концентрацию V₂O₅, уменьшая способность к запасанию ионов лития.

Для того чтобы электрод мог запасать литий в значительных количествах, необходимо было понизить концентрацию полимера в композите. В конечном итоге было обнаружено, что композит, содержащий 5% полимера по массе, оказывается в три раза гибче и в два раза прочнее чистого V₂O₅. Также гибридизация материала примерно вдвое увеличивает скорость диффузии ионов лития, решает вопрос с разрушением электродов в процессе зарядки/разрядки и понижает скорость уменьшения емкости батареи в процессе ее эксплуатации. Исследователи связывают улучшение свойств гибридного материала с уникальной структурой, которую материал принимает в результате самоорганизации.

Как отмечает специалист по применению блок-сополимеров в источниках питания, специалист по химической технологии из Университета Калифорнии (Беркли) Ниташ Балсара (Nitash P. Balsara), Ань с коллегами описывает принципиально новый способ изготовления электродов. Балсара также высоко оценивает способ, с помощью которого исследователям удалось интегрировать полимерно-оксидные электроды в обычный аккумулятор.

Источник: Sci. Rep. 2015, DOI: 10.1038/srep14166

метки статьи: #аккумуляторы, #новые материалы, #химия полимеров, #электрохимия