Учёные из Оксфордского университета совместно с коллегами из других научных центров представили принципиально новый класс органических материалов — так называемые state-independent electrolytes (SIE), или «электролиты, независимые от агрегатного состояния». Это открытие ставит под сомнение одно из базовых правил электрохимии: ионы почти всегда движутся гораздо медленнее, когда жидкость превращается в твёрдое тело.
Но в случае SIE этого не происходит. Даже в твёрдом состоянии такие материалы проводят ионы с той же лёгкостью и скоростью, что и в жидкой фазе. Для аккумуляторов, электроники и целого ряда «умных» устройств это может означать настоящий технологический перелом.
Что такое state-independent electrolytes
В обычных батареях ионы перемещаются через жидкий электролит. Пока среда текучая, всё работает отлично. Но стоит жидкости кристаллизоваться или замёрзнуть, как молекулы «схватываются», а ионы оказываются в ловушке — словно автомобили, внезапно застрявшие в снежной буре. Этот эффект получил название freeze-out («вымораживание») и долгое время оставался главным препятствием на пути к созданию мощных твердотельных аккумуляторов.
SIE нарушают это правило. Они сохраняют высокую ионную проводимость независимо от того, находятся ли в жидком, жидкокристаллическом или полностью твёрдом состоянии. Проще говоря, для ионов разницы нет — среда остаётся для них «проходимой» всегда.
Принцип действия
Ключ к необычному поведению SIE — в их молекулярном устройстве. Команда под руководством профессора Пола Макгонигала и аспирантки Джульет Барклей пересмотрела сам подход к проектированию электролитов.
В основе материала лежат дискообразные молекулы с длинными гибкими боковыми цепями. Эту структуру исследователи сравнивают с колесом, окружённым мягкой щетиной. Положительный заряд равномерно распределён по плоскому «диску», благодаря чему отрицательные ионы не оказываются жёстко привязанными к нему электрическими силами.
Когда материал затвердевает, такие диски самособираются в жёсткие колонны. А вот длинные боковые цепи — та самая «щетина» — остаются подвижными и создают внутри твёрдой структуры проницаемую, почти жидкую среду. Именно по ней отрицательные ионы свободно перемещаются, не испытывая привычного торможения.
Результат оказался неожиданным даже для самих авторов: поведение ионов не меняется при переходе от жидкости к твёрдому телу. Более того, эффект воспроизводится для нескольких типов ионов, что говорит о его универсальности.
Зачем это нужно
Практические перспективы у SIE весьма широкие. Они позволяют реализовать подход «лучшее из двух миров» в производстве устройств. Электролит можно нагреть и залить в батарею в жидком виде — так он заполнит все микропоры электродов. После охлаждения материал затвердевает, становясь стабильным и безопасным.
В отличие от традиционных жидких электролитов, такие твёрдые системы не протекают и существенно снижают риск возгорания. При этом они сохраняют высокую производительность и работают в широком диапазоне температур.
Лёгкость, гибкость и потенциальная возобновляемость органических SIE делают их перспективными кандидатами для твердотельных аккумуляторов нового поколения, носимых сенсоров, технологий «умного» стекла и других элементов устойчивой электроники. По сравнению с неорганическими аналогами они предлагают более безопасную и универсальную альтернативу.
На достигнутом оксфордская команда останавливаться не собирается. Сейчас исследователи работают над повышением ионной проводимости и адаптацией материалов под реальные аппаратные решения. Конечная цель — интегрировать SIE в продвинутые электронные системы и оценить их потенциал для вычислительных устройств будущего.
Результаты работы опубликованы 18 декабря в журнале Science.
