У порівнянні з традиційними літій-іонними акумуляторними системами, твердотільні батареї можуть досягти більшої безпеки та більшої щільності енергії. Однак наявні тверді іонні провідники не відповідають суворим вимогам роботи батареї.
Тепер дослідницька група з Університету Брауна та Університету Меріленду розробила новий матеріал для використання в твердотільних батареях, отриманий з дерев. Дослідники демонструють твердий іонний провідник, який поєднує мідь з нанофібрилами целюлози, які є полімерними трубками, отриманими з деревини. Цей тонкий папір має провідність в 10-100 разів кращу, ніж інші полімерні іонні провідники. Дослідники кажуть, що його можна використовувати як електроліт для твердої батареї, або як іонопровідний зв’язуючий засіб для катода повністю твердотільного акумулятора.
Сучасні літій-іонні акумулятори використовують електроліти, виготовлені з солі літію, розчиненої в рідкому органічному розчиннику. При великих струмах в електроліті можуть утворюватися крихітні нитки металу літію – дендрити, що призводить до короткого замикання. Рідкі електроліти виготовляються з легкозаймистими та отруйними хімічними речовинами, які можуть загорітися, якщо прилад замкнеться.
Тверді електроліти можуть бути виготовлені з негорючих матеріалів, вони можуть запобігти проникненню дендритів і можуть відкрити абсолютно нові можливості для архітектури батареї. Багато твердих електролітів, досліджених на даний момент, виготовлені з керамічних матеріалів, які чудово проводять іони, але вони також товсті, жорсткі та крихкі. Вони дуже ефективно проводять іони, але погано витримують напруги під час виготовлення, а також заряджання та розрядки, що призводить до тріщин і розривів.
Однак новий матеріал тонкий і гнучкий, майже як аркуш паперу, а його іонна провідність на одному рівні з керамікою. Дослідження показало, що мідь збільшує простір між целюлозними полімерними ланцюгами, що створює іонні супермагістралі, це дозволяє іонам літію подорожувати з рекордною ефективністю.
«Поєднавши мідь з одновимірними нанофібрилами целюлози, ми продемонстрували, що целюлоза, яка зазвичай ізолює, забезпечує більш швидкий транспорт літій-іонів у полімерних ланцюгах», — сказав Лянбін Ху, професор кафедри матеріалознавства та інженерії Університету Меріленду. «Насправді ми виявили, що цей іонний провідник досяг рекордно високої іонної провідності серед усіх твердих полімерних електролітів».
Дослідники також стверджують, що він має електрохімічну стабільність для розміщення металевого літієвого анода та високовольтних катодів або може виконувати роль сполучного матеріалу, який укладає в себе надтовсті функціональні катоди в батареях високої щільності .
«Іони літію рухаються в цьому органічному твердому електроліті за механізмами, які ми зазвичай знаходимо в неорганічній кераміці, що забезпечує рекордно високу іонну провідність», — сказав Ци . «Використання матеріалів, наданих природою, зменшить загальний вплив виробництва акумуляторів на наше середовище».
Вони сподіваються, що новий матеріал може стати кроком до виведення технології твердотільних акумуляторів на масовий ринок.