В настоящее время литий-ионные аккумуляторы (ЛИА) занимают лидирующие позиции в сфере портативных источников энергии. Несмотря на многочисленные преимущества, ЛИА имеют и ряд недостатков, основными из которых являются дороговизна, низкая экологичность, токсичность, пожароопасность и сложность в утилизации их компонентов. Одной из причин обозначенных выше недостатков является присутствие в коммерческих образцах ЛИА жидкого органического электролита, способного к возгоранию. Помимо этого, ЛИА с жидким электролитом имеют ряд ограничений по величине рабочего потенциала вследствие необратимого окисления растворителя и потери электролита. Решением данных проблем может быть использование полимерных, в частности, гель-полимерных электролитов (ГПЭ), которые менее склонны к возгоранию и нетоксичны, а также стабильны в области высоких потенциалов. Тем не менее, ГПЭ имеют более низкие функциональные характеристики по сравнению с жидкими аналогами, а именно более низкую ионную проводимость и термическую стабильность. Кроме того, совместимость электродов ЛИА с ГПЭ пока что ниже, чем с жидкими электролитами.

В качестве ГПЭ широко применяется синтетический полимер полиэтиленоксид, который обладает относительно высокой ионной проводимостью, но из-за высокой лабильности структуры и, вследствие этого, его слабой механической устойчивости происходит рост дендритов лития, что приводит к короткому замыканию аккумулятора. Альтернативной могут быть ГПЭ, основанные на природных полимерах со стабильной структурой. В частности, целлюлоза обладает высокой кристалличностью структуры. Кроме того, она является наиболее распространенной природной макромолекулой и существует в большом количестве разнообразных форм. Похожими характеристиками обладает еще один природный полимер – крахмал. Сочетание хороших механических свойств и возможность варьирования структуры с целью улучшения свойств исходных полимеров делает возможным их применение в качестве ГПЭ для литий-ионных систем.

Целью данного проекта является разработка новых классов гель-полимерных электролитов на основе природных полимеров (целлюлозы и крахмала). Новые ГПЭ будут использованы при создании безопасных литий-ионных аккумуляторов с функциональными характеристиками, сопоставимыми с ЛИА, в которых используются жидкие электролиты. Путем модификации структур исходных полимеров различными путями (добавлением иных макромолекул, например, проводящих полимеров к исходным структурам целлюлозы и крахмала) будут достигнуты улучшенные значения электрохимических характеристик ГПЭ с сохранением их физических свойств. Фундаментальной задачей исследования является установление взаимосвязи между структурой полимерного электролита и функциональными характеристиками электродов в широком диапазоне потенциалов.

Цели проекта

• Синтез новых типов ГПЭ на основе природных полимеров (целлюлозы и крахмала);
• Характеризация структуры, физических и электрохимических свойств синтезированных ГПЭ;
• Установление влияния химической структуры ГПЭ на функциональные свойства электродных материалов для ЛИА;
• Подбор ГПЭ под определенные классы электродных материалов для ЛИА с целью обеспечения наилучшей совместимости между электродом и электролитом, и, как следствие, стабильных и высоких электрохимических характеристик ЛИА;
• Создание безопасного ЛИА с использованием ГПЭ и без использования металлического лития.

Сотрудничество

Совместный проект РФФИ и Национального научного фонда Ирана

Данный проект выполняется совместно с иранской научной группой Мехди Салами-Каладжахи (Mehdi Salami-Kalajahi). В ходе сотрудничества синтезированные и охарактеризованные иранской стороной полимеры будут иссследованы в составе гель-полимерных электролитов в литий-ионных аккумуляторах группой под руководством Елисеевой С. Н.

https://polymer.sut.ac.ir/showcvmain.aspx?id=14 - страница Мехди Салами-Каладжахи на сайте университета Шариф (Sharif University of Technology)