Проводящие «умные» гидрогели в качестве электролитов для аккумуляторов: перспективное решение для литий-ионных, натрий-ионных и цинк-ионных аккумуляторов

Аккумулятор FIAMM 12FGH23

Гидрогели могут стать перспективным электролитом для аккумуляторов, в том числе литиевых и натриевых, поскольку они по своей природе более безопасны.

Исследования в области аккумуляторных батарей, проводимые как в промышленных, так и в академических кругах, продолжают развивать идеи в области электродов и электролитов, материалов, конструкций, безопасности, эффективности и экологичности. В большинстве случаев при использовании литий-ионных батарей в стационарных накопителях потенциально легковоспламеняющиеся органические электролиты представляют собой постоянную угрозу безопасности, с которой отрасль постоянно борется с помощью зачастую сложных мер по снижению рисков и дорогостоящих и разрушительных испытаний.

В новой обзорной статье, посвященной систематическому анализу исследований в области гидрогелей за период с 2008 по 2025 год, включая 186 опубликованных за 17 лет исследований, приводятся доводы в пользу того, что проводящие гидрогели являются перспективным кандидатом на роль электролита. В статье отмечается, что это особенно актуально для гибких и носимых устройств, однако стационарные накопители, а также литий- и натрий-ионные аккумуляторы также могут стать перспективными разработками. Статья была опубликована на этой неделе в Journal of Electroanalytical Chemistry исследователями из Университета Лимпопо в Южной Африке.

Аргумент в пользу безопасности, пожалуй, самый очевидный: гидрогелевые электролиты имеют водную основу, что исключает возможность теплового разгона, характерного для обычных органических электролитов. Кроме того, благодаря своей структуре они не протекают и способны к самовосстановлению.

Несмотря на то, что на данном этапе коммерческие аспекты не до конца ясны, показатели эффективности выглядят многообещающе, хотя и сильно зависят от химического состава. Для литий-ионных аккумуляторов композитный электрод из кремниевых наночастиц и полианилина с использованием гидрогеля, полимеризованного in situ, обеспечил емкость 1600 мАч/г после 1000 глубоких циклов при среднем кулонометрическом КПД 99,8 % начиная со второго цикла. КПД первого цикла составил около 70 %, что является известной проблемой для кремниевых анодов.

В системах с ионами цинка, где гидрогели подавляют образование дендритов, гидрогель PAM/SA сохранял 85 % емкости после 1000 циклов при силе тока 3 А/г и стабильную емкость после 10 000 циклов при силе тока 10 А/г.

В случае с натрий-ионными аккумуляторами возникает проблема, связанная с периодической таблицей химических элементов: ионы Na+ крупнее ионов Li+, что делает их более медленными и потенциально более разрушительными для структуры электродов. Гидрогелевые электролиты частично компенсируют этот недостаток, создавая гидратированные каналы, которые снижают диффузионный барьер, хотя в обзоре приводится меньше ключевых цифр, чем по двум другим химическим элементам. Статья подтверждает, что натрий-ионные аккумуляторы могут быть опасны для здоровья из-за водной среды и низкой токсичности.

В обзорной статье также упоминаются ограничения. Электронная проводимость остается ниже, чем у металлических и традиционных углеродных электродов, что ограничивает скорость работы и удельную мощность. Гидрогели высыхают при контакте с воздухом, что снижает ионную проводимость, хотя этот эффект можно уменьшить. При многократном циклировании происходит «усталость» структуры и потеря проводящих путей, а добавление проводящих наполнителей, таких как высокоэффективные графены и MXenes, обходится дорого, а наладить их массовое производство пока не удалось. (Материал MXenes, известный своими двумерными свойствами, рассматривается здесь в контексте исследований солнечных батарей)

Если вернуться к бытовым, коммерческим/промышленным и сетевым накопителям энергии, то гидрогелевые электролиты не станут решением в ближайшей перспективе, но будут играть важную роль в разработках, которые могут выйти за пределы лабораторий и стать прототипами.