В Институте химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения РАН разрабатывают гибкие источники тока, способные восстанавливаться после повреждений. О том, как устроены полимерные электролиты и почему они могут заменить жидкие, рассказала старший научный сотрудник института, кандидат химических наук Ольга Андреевна Подгорнова.
Сегодня большое внимание исследователей уделяется гибким источникам тока: они могут принимать нестандартную конфигурацию и применяться в носимых устройствах. Основные компоненты любого источника тока — электроды и электролит. Электролит обеспечивает перенос ионов между электродами. От его химической и электрохимической устойчивости, а также от ионной проводимости зависят характеристики будущего устройства.
Основная проблема гибких источников тока в том, что они подвергаются деформациям: сгибам, растяжениям, перекручиваниям. Стандартные жидкие электролиты в случае разгерметизации корпуса могут вытечь. Твердые электролиты, напротив, хрупкие и ломкие, поэтому при перегибе они просто сломаются. Альтернативой стали полимерные электролиты. Они содержат матрицу из органического полимера и соль, которая в ней удерживается. Такие материалы держат форму, как твердые электролиты, но при комнатной температуре обычно обладают низкой ионной проводимостью, поэтому их чаще используют при повышенных температурах.
Чтобы получить высокую проводимость по ионам лития при комнатной температуре, исследователи наполнили полиуретановую матрицу солями лития. «Наша мембрана держит форму, как твердый электролит, но внутри находится раствор лития. За счет того, что внутри удерживается раствор соли лития, у нас наблюдается высокая ионная проводимость, как у жидкого электролита», — пояснила О.А. Подгорнова.
Такие мембраны после сгиба и скручивания возвращаются к исходной форме. Если корпус разгерметизируется, электролит не вытечет, а останется внутри матрицы. Единственный риск — высыхание на воздухе. Однако при добавлении жидкой соли лития она снова впитывается в матрицу, материал возвращается к исходному состоянию, и после повторной герметизации устройство продолжает работать.
«Если электролит вытекает или высыхает, мы вполне можем его восстановить: дольем обратно этот раствор лития. Понятно, что делать это можно лишь в аргоновой атмосфере, не на воздухе в домашних условиях. Но не так уж сложно организовать процесс переноса гибкого источника в инертную атмосферу для повторной заливки и герметизации», — объяснила О.А. Подгорнова.
Если же в электролите образовалась дырка или произошел разрыв, восстановить его простым добавлением раствора уже не получится — для этого нужны полимеры, способные к регенерации. Тем не менее, для наиболее распространенных повреждений, связанных с высыханием или разгерметизацией, предложенный подход позволяет продлить срок службы источника тока.
Потенциальные области применения таких материалов — гибкие носимые устройства, умные браслеты и медицинские сенсоры, которые закрепляются прямо на коже. На следующих этапах испытаний предстоит проверить, как материал ведет себя в условиях реальной эксплуатации. Результаты исследования опубликованы в статье Designing New Polyurethane-Based Solid Polymer Electrolytes for Flexible Solid-State Supercapacitors.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
