Ученые Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Российской академии наук (ИНЭОС РАН) исследуют полимеры для создания более надежных и экологически безопасных источников питания.

Интенсивное развитие портативной электроники и электротранспорта во многом обязано распространению литиевых источников тока, отличающихся высокой удельной емкостью и мощностью. В литий-ионных аккумуляторах (ЛИА) в качестве электролитов используют растворы литиевых солей. Применение жидких электролитов осложняется проблемами их взрыво- и пожароопасности, поэтому большое количество исследований в мире посвящено более технологичным и безопасным твердым полимерным электролитам (ТПЭ). Однако в твердой полимерной матрице перемещение ионов лития затруднено и ионная проводимость такого электролита, как правило, невысока, а наиболее высокопроводящие полимеры имеют низкую теплостойкость и при комнатной температуре представляют собой вязкие жидкости, из которых невозможно формирование прочных пленок или покрытий.

Удачное решение, обеспечившее ТПЭ сочетание высокой проводимости и механической прочности, реализовано в мембранах Nafion (Du Pont), в которых полимер образует две фазы. Одна фаза формирует систему полостей, связанных каналами. Внутри полостей находится другая фаза, где создаются благоприятные условия для направленного перемещения зарядов по каналам. Однако и в этом случае нужны растворители.

Исследование ученых ИНЭОС РАН нацелено на создание проводящего ТПЭ, склонного к микрофазному расслоению и образованию проводящих каналов при полном отсутствии растворителя. Российским химикам удалось синтезировать такой ТПЭ на основе двух сополимеров сложного состава, один из которых повышает механическую прочность, а второй проводит ионы лития. В результате исследования было найдено оптимальное соотношение молекулярных масс сополимеров, при которых наблюдается микрофазное разделение и достигается необходимая ионная проводимость.

Схема синтеза сополимеров. Неионный блок обеспечивает механическую прочность, ионный – проводимость.

К сожалению, применение синтезированных российскими специалистами сополимеров в качестве электролита при комнатной температуре пока затруднено ввиду недостаточной ионной проводимости при 25°С, однако они могут применяться в ЛИА, эксплуатируемых при повышенных температурах (70–80°С), либо при комнатной температуре, но с добавлением небольшого количества пластифицирующих растворителей. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых электрохимических устройств, которые будут отличаться высокой надежностью и экологической безопасностью.

Подробнее см. в статье «Синтез литий-проводящих сополимеров и влияние их структуры на ионную проводимость», Д. О. Понкратов, Е. И. Лозинская, А. С. Шаплов, Д. А. Ханин, Е. С. Афанасьев, Р. У. Таказова, Я. С. Выгодский, «Доклады Российской академии наук. Химия, науки о материалах», 2022, T. 502, № 1, стр. 32-40.

Редакция сайта РАН