Исследовательская группа, возглавляемая профессорами POSTECH Суджин Паком (химический факультет) и Юн Су Кимом (факультет материаловедения и инженерии), а также профессором Джегон Рю (факультет химической и биомолекулярной инженерии) Университета Соганг, разработала заряженное полимерное связующее для анодного материала высокой емкости, которое является стабильным и надежным, предлагая емкость в 10 раз или выше, чем у обычных графитовых анодов. Этот прорыв был достигнут за счет замены графита на Si-анод в сочетании с многослойно заряженными полимерами при сохранении стабильности и надежности. Результаты исследования были опубликованы в виде статьи на обложке журнала Современные функциональные материалы.

Анодные материалы высокой емкости, такие как кремний, необходимы для создания литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии; они могут обеспечить по меньшей мере в 10 раз большую емкость, чем графит или другие анодные материалы, доступные в настоящее время. Проблема здесь заключается в том, что объемное расширение анодных материалов высокой емкости во время реакции с литием представляет угрозу для производительности и стабильности батареи. Чтобы смягчить эту проблему, исследователи изучали полимерные связующие, которые могут эффективно контролировать объемное расширение.

Однако исследования на сегодняшний день были сосредоточены исключительно на химическом сшивании и водородных связях. Химическое сшивание включает ковалентную связь между молекулами связующего, что делает их твердыми, но имеет фатальный недостаток: после разрыва связи не могут быть восстановлены. С другой стороны, водородная связь является обратимой вторичной связью между молекулами, основанной на различиях в электроотрицательности, но ее прочность (10-65 кДж/моль) относительно слаба.

Новый полимер, разработанный исследовательской группой, не только использует водородные связи, но и использует преимущества кулоновских сил (притяжения между положительным и отрицательным зарядами). Эти силы имеют силу 250 кДж/моль, что намного выше, чем для водородных связей, однако они обратимы, что позволяет легко контролировать объемное расширение. Поверхность анодных материалов с высокой емкостью в основном заряжена отрицательно, а слоистые полимеры чередуются с положительными и отрицательными зарядами для эффективного связывания с анодом. Кроме того, команда ввела полиэтиленгликоль для регулирования физических свойств и облегчения диффузии литий-ионов, в результате чего получился толстый электрод высокой емкости и максимальная плотность энергии, характерная для литий-ионных аккумуляторов.

Профессор Суджин Парк пояснил: "Исследование обладает потенциалом для значительного увеличения плотности энергии литий-ионных аккумуляторов за счет использования анодных материалов высокой емкости, тем самым расширяя дальность хода электромобилей. Анодные материалы на основе кремния потенциально могут увеличить дальность хода по меньшей мере в десять раз".

Это исследование было проведено при поддержке Министерства науки и ИКТ, Программы развития технологий наноматериалов и Национальной исследовательской лаборатории технологий будущего Кореи.