Современные литиевые батареи обычно используют жидкий электролит для переноса ионов между двумя электродами. Но теперь ученые предлагают использовать в качестве электролита древесину. Авторы нового исследования использовали целлюлозу, полученную из дерева, в качестве основы для нового твердого электролита. Тонкий и гибкий материал значительно повышает эффективность батарей.
Ценность твердых электролитов
Жидкие электролиты, которые сегодня используются в литий-ионных батареях, имеют массу недостатков. Во-первых, они содержат летучие жидкости, которые могут воспламеняться при замыкании. Во-вторых, в жидких внутренностях аккумулятора легко образуются наросты, называемые дендритами. Эти наросты постепенно снижают емкость аккумулятора и в конце концов выводят его из строя.
Твердые электролиты можно изготавливать из невоспламеняющихся материалов, что делает батареи более безопасными. Также внутри них не образуются дендриты. Это позволяет изготавливать анод аккумулятора из чистого лития, что, в свою очередь, повышает емкость батарей.
Увы, не все так гладко. За эффективность приходится платить живучестью. Многие из твердых электролитов, которые создавались ранее, были изготовлены из керамических материалов. Они очень эффективно проводят ионы, но не слишком хорошо выдерживают перепады напряжения во время зарядки и разрядки, а потому быстро выходят из строя. Именно это - основная причина того, почему батареи с твердым электролитом до сих пор не нашли массового применения.
Возможно, теперь это изменится.
Древесный электролит
Ученые из Брауновского университета (штат Род-Айленд, США) и Университета Мэриленда (штат Мэриленд, США) попытались найти решение этой проблеме, используя природные материалы. Они использовали для создания нового твердого электролита нанофибриллы - мельчайшие частицы целлюлозы, которые получают из древесины.
Нанофибриллы в виде полимерных трубок объединили с медью и создали твердый ионный проводник, который по проводимости не уступает самым эффективным керамическим образцам. По словам ученых, вкрапления меди создают пространство между цепями целлюлозного полимера и образуют своеобразные «ионные сверхмагистрали».
«Мы обнаружили, что этот ионный проводник достиг рекордно высокой ионной проводимости среди всех твердых полимерных электролитов», - говорит автор исследования Лянбин Ху.
Поскольку новый материал тонкий и гибкий, он лучше переносит перепады напряжения, свойственные циклам заряда и разряда батареи. Также он обладает высокой электрохимической стабильностью, что позволяет использовать в конструкции батареи литий-металлические аноды и высоковольтные катоды. Проще говоря, целлюлозная батарея может хранить больше энергии, чем любой современный аккумулятор, и при этом остается весьма живучей, надежной и безопасной.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
