Wyjątkowy materiał nanokompozytowy kluczem do bezpieczniejszych akumulatorów w pojazdach elektrycznych
Niezawodna technologia produkcji akumulatorów stanowi klucz do popularyzacji pojazdów elektrycznych na masowym rynku. W tym celu konieczne jest jednak opracowanie nowych klas materiałów, które będą mogły zostać wykorzystane jako elektrolity stałe. Takie materiały pozwolą na wyeliminowanie obaw i wątpliwości związanych z bezpieczeństwem i przyczynią się do powstania akumulatorów nowej generacji.
Od elektrolitów ciekłych do stałych
W tradycyjnych akumulatorach litowo-jonowych roztwór elektrolitu pozwala jonom litu przemieszczać się pomiędzy anodą i katodą, gdy z akumulatora pobierana jest energia oraz gdy jest ładowany. Jony są zwykle przenoszone przez ciekły elektrolit. Prace mające na celu opracowanie lepszych substancji tego typu zwykle rozbijały się o problemy związane z bezpieczeństwem. W przypadku wycieku organicznego węglanu, który jest powszechnie stosowany w akumulatorach litowo jonowych, może dojść do wybuchu lub zapłonu. Obawy związane z bezpieczeństwem sprawiają, że producenci coraz częściej zwracają wzrok w kierunku akumulatorów z elektrolitem stałym, które mogą być wykonane z nieorganicznych materiałów szklano-ceramicznych lub polimerów organicznych. „Nieorganiczne materiały szklano-ceramiczne charakteryzują się wysokim przewodnictwem jonów, ale jednocześnie charakteryzują się sztywnymi stykami i są niezwykle kruche”, wyjaśnia David Mecerreyes, koordynator projektu eJUMP, który otrzymał dofinansowanie w ramach działań „Maria Skłodowska-Curie”. „Z kolei polimery organiczne mają pożądane właściwości mechaniczne, ale ich przewodnictwo jonowe nie spełnia oczekiwań”.
Nowatorska struktura łączy najlepsze cechy obu rozwiązań
Niedawno naukowcy z Instytutu Nowoczesnych Materiałów na Uniwersytecie im. Deakina w Australii zasugerowali możliwość wykorzystania nowej klasy organicznych elektrolitów stałych w celu wytwarzania bardziej niezawodnych akumulatorów. „Organiczne jonowe kryształy z tworzyw sztucznych (ang. organic ionic plastic crystals, OIPC) to materiały krystaliczne złożone z niewielkich jonów organicznych charakteryzujących się ruchami molekularnymi krótkiego zasięgu. Dzięki tej strukturze kryształy te mają szereg wyjątkowych cech, na przykład wiele przejść fazowych między fazami stałymi, a także właściwości mechaniczne tworzywa sztucznego. To zapewnia lepszy kontakt z elektrodami, a co ważniejsze, usprawnia dyfuzję jonów”, wyjaśnia Mecerreyes. Badaczom udało się także wykazać, że ten rodzaj elektrolitu oferuje lepsze właściwości mechaniczne oraz sprawniejszy transport jonów w połączeniu z wypełniaczami polimerowymi. Badania naukowe nad mechanizmem działania tych kompozytowych elektrolitów są wciąż na bardzo wczesnym etapie. „Do tej pory badacze skupiali się przede wszystkim na nanokompozytowych strukturach zbudowanych z cieczy jonowych, nanocząsteczek nieorganicznych i polimerów. Nasz zespół jako pierwszy w historii połączył jonowe kryształy z tworzywa sztucznego z nowatorskim rodzajem nanocząsteczek polimerowych, aby uzyskać w ten sposób elektrolit stały”, zauważa Mecerreyes. Zespołowi udało się dokonać syntezy funkcjonalnych nanocząsteczek polimeru o wielkości od 30 do 500 nanometrów z kontrolowanymi właściwościami chemicznymi powierzchni w celu wzmocnienia kryształów OIPC. Po zsyntetyzowaniu nanocząsteczek badacze skupili się na właściwościach morfologicznych i transporcie jonów.
Znaczenie nanocząsteczek polimerowych
Wykorzystanie wypełniaczy w postaci nanocząsteczek polimerowych stanowi zupełnie nowy paradygmat produkcji elektrolitów stałych. Większość wypełniaczy stanowią zwykle materiały nieorganiczne, takie jak tlenek glinu lub krzemionka. Modyfikacja powierzchni nanocząsteczek nieorganicznych to złożony i wieloetapowy proces. „Podejście opracowane w ramach projektu eJUMP znacząco upraszcza proces syntezy nanocząsteczek. Polimeryzacja w ośrodku rozproszonym to jednoetapowy proces, który pozwala kontrolować nie tylko rozmiar nanocząsteczek, ale także grupy funkcyjne przyłączone do ich powierzchni. Dodatkowo niska gęstość polimerów pozwala na uzyskanie lepszej dyspersji wypełniacza w macierzy krystalicznej”, wyjaśnia Mecerreyes. O najnowszych osiągnięciach w dziedzinie stałych elektrolitów polimerowych można przeczytać tutaj. W innym opracowaniu naukowcy wyjaśniają, w jaki sposób różne powierzchnie nanocząsteczek wpływają na właściwości termiczne oraz transport jonów w kryształach.
Słowa kluczowe
eJUMP, akumulatory, nanocząsteczki polimerowe, pojazd elektryczny, elektrolit stały, organiczne elektrolity polimerowe, organiczne jonowe kryształy z tworzyw sztucznych
