Полимерный электролит ускоряет движение ионов в твердотельных батареях

Исследователи национальной лаборатории обнаружили способ создания суперионного полимерного электролита, который может значительно улучшить характеристики твердотельных батарей и других энергетических устройств. Подобрать оптимальный состав полимера оказалось ключом к обеспечению сверхбыстрого перемещения ионов.

По словам специалистов, полимерные электролиты обладают множеством преимуществ перед традиционными жидкими аналогами, однако достижение высокой подвижности ионов в них оставалось сложной задачей. Недавние эксперименты показали, что эту проблему можно решить путем точной настройки химической структуры материала.

Батаррея состоит из двух электродов, разделенных электролитом. При заряде и разряде ионы должны свободно перемещаться внутри этого слоя. Жидкие и гелевые электролиты обеспечивают хорошую проводимость, но уступают по безопасности и долговечности. Твердотельные решения обещают более быструю зарядку, повышенную безопасность и компактность, однако часто сталкиваются с хрупкостью и плохим контактом с электродами.

Новый полимер содержит полярные сегменты, способствующие включению литиевых солей, а также специальные цвиттерионные группы, одновременно несущие положительный и отрицательный заряд. Изменяя количество таких групп на цепи полимера, ученые добились формирования нокарманоподобных каналов, через которые ионы перемещаются с минимальным сопротивлением. Оптимальная эффективность достигла примерно при функционализации 80% мономерных единиц цвиттерионами.

Помимо аккумуляторов, материал может найти применение в flow‑батареях, топливных элементах, сетевых накопителях энергии и других технологиях, где необходим непроницаемый барьер, позволяющий свободно перемещаться ионам. Планируется дальнейшее изучение механизмов переноса заряда с использованием суперкомпьютерного моделирования, робототехнического синтеза и нейтронно‑спектроскопических исследований.