Материал, который может «заживать»: как создаются гибкие источники тока

В Новосибирске создают источники тока будущего, способные «заживать» после повреждений. В основе — гибкий полимерный электролит на основе полиуретана, который не течёт, проводит заряд и восстанавливается после повреждений, что делает его идеальным для сенсоров на коже. Мы поговорили со старшим научным сотрудником Института химии твёрдого тела и механохимии СО РАН кандидатом химических наук Ольгой Андреевной Подгорновой о разработке этих перспективных материалов для безопасных источников тока будущего. 

Тема твёрдых полимерных электролитов сегодня находится на стыке фундаментальной химии и прикладной энергетики. И именно такие разработки могут стать основой для следующего поколения гибких и безопасных источников тока.

«Мы создаём новые материалы для безопасных и гибких источников энергии. Сначала подбираем электролит, варьируя полимерную матрицу, проводящую соль и растворитель, затем собираем мини-устройство и проверяем, насколько хорошо оно накапливает и отдает заряд. Если результат удачный, двигаемся дальше — к более совершенным прототипам», — говорит Ольга Андреевна.

Одним из перспективных кандидатов стала полиуретановая матрица, способная удерживать раствор проводящей соли и сохранять эластичность. «Она может набухать в растворе соли и удерживать его внутри своей структуры. В итоге получается материал, который выглядит как эластичная плёнка, но при этом работает как электролит. Это удачное сочетание: материал не течёт, не расползается, сохраняет форму, а ионы внутри него продолжают двигаться. Именно поэтому эти системы интересны для гибких и твердотельных устройств», — объясняет Ольга Подгорнова.

Лабораторная сборка твердотельного суперконденсатора: образец с полимерным электролитом подготовлен к электрохимическим испытаниям

Такие свойства важны, потому что в носимых устройствах аккумулятор должен гнуться, но не течь и не рваться. Электролит — не жидкость и не провод, а материал, через который ионы лития перемещаются между электродами, без которого ток не идёт, поэтому его выбор так важен. «Именно они влияют и на безопасность, и на работоспособность устройства, и на его пригодность к практическому применению», — подчеркивает Ольга Андреевна.

Сейчас в источниках тока в основном жидкие электролиты, но они текут и горят. Полимерный электролит не течёт, а при впитывании соли лития проводит ионы, как жидкий, но безопасно. От того, насколько хорошо он это делает, зависит ёмкость устройства — главный параметр при оценке. Такие системы становятся всё популярнее из-за того, что жидкие электролиты хорошо работают. «Но у них есть очевидный недостаток: при повреждении устройства они могут вытекать. Это и риск короткого замыкания, и вопрос пожарной безопасности. Твёрдые электролиты безопаснее, однако у них часто хуже контакт с электродами. Поэтому полимерные системы оказались очень интересными: они более гибкие, лучше подстраиваются под структуру электрода и позволяют создать более надёжный контакт. В нашем случае мы работаем с квазитвёрдыми системами — они держат форму, но внутри сохраняют жидкую фазу, что помогает ионному переносу», — отмечает исследователь.

Хорошая проводимость ионов означает, что аккумулятор быстро заряжается и эффективно отдает энергию. Проверяют это в модельной конструкции — ячейке, где электролит работает между двумя электродами. Главный показатель — удельная ёмкость: сколько энергии может накопить система на единицу массы или объёма. Именно он говорит, насколько материал подойдёт для реальных устройств.

Основное при оценке электролита — проводимость, но одного этого недостаточно. «Материал должен не только хорошо проводить ионы, но и нормально работать в составе конкретного устройства. Мы оцениваем, как ведет себя система в ячейке, какая получается ёмкость, как меняются параметры при сборке с электродами. В опубликованной работе показано успешное применение разработанного электролита в симметричной ячейке: в течение тысячи повторяющихся циклов заряда и разряда сохраняется до 80 % ёмкости. Это важный ориентир для дальнейшей оптимизации», — поясняет Ольга Андреевна.

Высокая ёмкость важна, но электролит также должен работать в реальных условиях — гнуться, не трескаться и не терять контакт. Полиуретан подходит идеально: его структура набухает в солевом растворе, удерживая проводящую жидкость внутри, но не вытекая. Получается гибкая, безопасная и эффективная система.

Выбор полиуретана для Ольги Андреевны «во многом оказался удачным стечением обстоятельств. Один из коллег работал с полиуретанами в другой области и предложил попробовать их в электрохимии. У этих материалов широкий диапазон свойств: можно менять гибкость, твёрдость, устойчивость к растворителям. Кроме того, в литературе работ по таким системам пока немного, то есть это по-настоящему перспективное направление», — делится ученый.

Самое сложное в разработке таких материалов — сбалансировать проводимость и эластичность: слишком много соли ухудшает гибкость, слишком мало — снижает ток. «Кроме того, важна технологичность: некоторые растворители быстро испаряются, и тогда материал трудно использовать в производстве. Хорошая лабораторная характеристика ещё не означает, что система подойдёт для реального устройства», — комментирует Ольга Андреевна.

Казалось бы, высыхание — конец для электролита: материал теряет проводимость, и устройство выходит из строя. Но в случае с полиуретановой матрицей произошло неожиданное: даже полностью высохнув, она не разрушается. При контакте с раствором проводящей соли плёнка снова набухает и восстанавливает ионную проводимость. Такое заживление структуры — редкое и ценное свойство, особенно для долгоживущих и ремонтопригодных устройств.

Одной из неожиданных находок стало поведение материала после высыхания. «Да, и это всегда особенно интересно. Например, нас впечатлил сам эффект набухания: материал может долго удерживать растворитель, а затем после высыхания снова включаться в работу, если вернуть его в электролит. Это показывает, насколько устойчивой может быть внутренняя структура полимерной матрицы», — рассказывает исследователь.

Такие источники тока в будущем могут работать в носимых устройствах, например в умных браслетах или медицинских сенсорах, которые крепятся прямо на коже. Главное — они должны гнуться, тянуться и при этом не терять заряд. «Пока это лабораторная стадия, но мы уже подошли к этапу прототипов. Следующий шаг — проверить, как такие устройства ведут себя при изгибах, растяжении, механических нагрузках», — подытоживает Ольга Андреевна.

Материал должен работать не только в лаборатории, но и в реальной носке — и именно это предстоит проверить на следующих этапах испытаний.

Текст: Анна Грищенко, Диана Антонова.
Источник: «Наука в Сибири».

Новости Российской академии наук в Telegram →