Огнеопасный литий в батареях могут заменить пластиками

С начала 1970-х литий был самым популярным элементом в батареях: он легче всех металлов и обладает крупнейшим электрохимическим потенциалом.

Литий-ионные источники питания весьма популярны: ими оснащают даже джойстики для игровых приставок.

И все же есть у батареи на основе лития серьезный недостаток: она весьма огнеопасна, и если перегреется, то вполне может загореться. Долгие годы ученые искали, чем бы заменить пожароопасную батарею, чтобы новая обладала теми же преимуществами, что и литиевая. И хотя очевидной альтернативой могут показаться пластики, ученые до конца не знают, что произойдет с материалом после пропуска ионного заряда.

И вот теперь ученые из школы инжиниринга Маккормика Северозападного университета объединили две традиционные теории в материаловедении, которые способны объяснить, как заряд определяет структуру материала. Это открывает двери для множества применений, включая новый класс батарей.

«Есть большая потребность избавиться от лития в огнеопасном растворе», сообщила Моника Олвера-де ла Круз, старший автор исследования. „Ведется поиск не взрывающихся альтернатив, таких как пластики. Однако оставалось неясным, что будет с пластиками после проведения заряда“.

Ученые исследовали пластики, известные как блок-сополимеры, которые представляют собой два типа склеенных полимеров. Они являются ведущим материалом для использования в качестве ионных проводников, поскольку самостоятельно собираются в наноструктуры, одновременно проводящие ионы и сохраняющие структурную целостность. Блок-сополимеры имеют наноканалы, через которые могут пройти ионы, однако формой этих каналов управляют сами заряды. Чтобы использовать материал в батареях, ученым необходимо найти способ управлять формой наноканалов так, чтобы заряд хорошо проходил по ним.

«Если удастся оптимизировать способность заряда перемещаться через систему, то удастся усовершенствовать и исходящее электропитание батареи», отметил постдок Чарльз Синг, первый автор исследования.

Проблема заключается в структуре материала. Блок-сополимеры — длинные цепи молекул. Когда они растягиваются, то простираются на большие расстояния, чем типичный размер ионных зарядов. Однако заряды оказывают мощный эффект на наноканалы, и это несмотря на то, что они намного меньше. Чтобы понять динамику блок-сополимеров, требуются разные теории для различных линейных масштабов.

Синг и профессор Джос Жваниккен объединили две традиционные теории: последовательную полевую теорию и теорию жидкого состояния. Последовательная полевая описывает, как ведут себя длинные молекулы.

«С другой стороны, теория жидкого состояния описывает, как заряды действуют на атомном уровне», добавил Жваниккен.

Хотя обе теории изучались десятилетиями, ранее никто не объединял их. В объединении они обеспечивают новый метод анализа систем наноканалов. Электрический заряд, известный как ион, связан с обратно заряженной молекулой, известной как противоион, который также присутствует в наноканале. Вместе ионы и противоионы притягиваются друг к другу и формируют соль. Соли скапливаются в небольшие кристаллы, которые воздействуют на наноканалы, меняя их структуру.

Олвера-де ла Круз и ее группа установили, что два этих эффекта уравновешивают друг друга: соли формируют кристаллики, которые деформируют наноканалы. С учетом новых сведений становится возможным прогнозировать и даже проектировать систему, через которую проходят ионы, благодаря чему можно усилить мощность и отдачу батарей.

Ученые надеются, что их открытие будет направлять экспериментаторов в процессе испытания материалов. Это даст исследователям больше информации о физических концепциях, лежащих в основе блок-сополимерных систем.

«Мы обеспечили инструменты для понимания этих систем за счет включения эффектов ионного масштаба в мезомасштабную морфологию полимеров», заключила Олвера-де ла Круз.

10.06.2014