Глина поможет в разработке аккумуляторных батарей, работающих при высокой температуре

Команда исследователей из университета Райса (США), задействовав уникальное сочетание материалов, пришла к решению проблемы эксплуатации перезаряжаемых ионно-литиевых батарей в жёстких температурных условиях. Согласно исследованиям, ионно-литиевые батареи на химической основе достаточно надёжны для обеспечения стабильной электрохимической энергией при температурах до 120 °C. Такие батареи могут использоваться в космической и оборонной сферах, в системах добычи нефти и газа, а также других решениях.

Специалисты исследовали характеристики бентонитовой глины и ионных жидкостей комнатной температуры. Оба компонента могут служить в качестве изолятора (разделителя) и электролита, формируя проводящий канал от анода к катоду. Природная глина содержит много воды. В случае с производством суперконденсаторов – это не является проблемой. Однако в аккумуляторной батарее в среде электролита должны содержаться проводящие ионно-литиевые частицы, но, как известно литий очень бурно реагирует с водой. Поэтому первой задачей исследователей было удаление воды из глины без повреждения её структуры.

Сначала частицы глины выдержали час при температуре 650 °C. Затем ионную жидкость комнатной температуры смешали с солью лития и глиной в безкислородной камере. Сжиженная соль играет роль источника ионов лития, перемещающихся в электролите к электродам. Полученная жидкая глина, напоминающая по виду ореховую пасту, была распределена между металлическими литиевыми электродами и размещена в батарее в форме монеты для тестирования при различных температурах.

Традиционные органические электролиты не могут использоваться в батареях при температуре выше 60 °C, поскольку данные вещества имеют низкую температуру кипения. Выделяющиеся пары могут привести к взрыву. В батареях с твёрдым электролитом при высокой температуре нарушается связь электролита и электродов, что ведёт к ухудшению рабочих характеристик. Полученный учёными композитный электролит имеет достаточную проводимость и максимальную площадь поверхности, что необходимо для надёжного прохождения электрического тока.

Испытания батареи показали возможность питания при высоких температурах и стабильном вольтажном окне в 3 В на протяжение 120 циклов разрядки/зарядки. Подтверждена температурная стабильность как твердотельных, так и жидких электролитов, реализующих надёжный контакт с электродами. Вольтажное окно – это диапазон напряжений, при котором электролит сохраняет стабильность и не теряет химических свойств.

Природа полученного материала позволяет формировать любые формы батарей. Для многих сфер с экстремальными условиями эксплуатации требуются источники питания. Инновации в разработке материалов, в частности электролитов, позволят расширить рабочий диапазон аккумуляторных батарей.