Создание аккумуляторных электролитов - компонента, который переносит заряженные частицы взад и вперед между двумя клеммами батареи, - всегда было компромиссом.

Твердотельные неорганические электролиты перемещают частицы чрезвычайно эффективно, но то, что они твердые и неорганические, означает, что они также хрупкие, с ними трудно работать и их трудно плавно подсоединить к клеммам. Работать с полимерными электролитами - мечта, но они просто не перемещают заряженные ионы.

Смешивание этих двух веществ для получения гибридных электролитов приводит к неоднозначным результатам.

- Тут возникает дилемма. Является ли гибрид лучшим из обоих миров с точки зрения более высокой ионной проводимости неорганического материала и хороших механических свойств полимера, или это сочетание их наихудших свойств?" сказал Асст. Профессор. Чибуэзе Аманчукву из Школы молекулярной инженерии Притцкеровского университета Чикаго (UChicago PME).

Новая технология лаборатории Amanchukwu позволяет получать неорганические и полимерные электролиты одновременно, в одном сосуде. Этот метод "в одном горшке" на месте создает контролируемую однородную смесь, сочетающую электропроводность неорганических твердых веществ с гибкостью полимеров.

"Когда вы производите литий-металлические батареи, метод in-situ значительно превосходит метод физического смешивания", - сказал Аманчукву.

Их работа была опубликована в журнале Chemistry of Materials.

Хотя исследование было сосредоточено на электролитах аккумуляторных батарей, новая технология окажет влияние на исследования полупроводников, электронику, промышленные покрытия, герметики и любую другую область, в которой используются гибридные материалы.

"Допустим, вам нужно что-то, что действительно хорошо растягивается и может скручиваться - например, носимая электроника, - что вы могли бы сделать, так это спроектировать полимер таким образом, чтобы этот материал обладал механической гибкостью", - говорит первый автор Приядаршини Мирмира, доктор философии, 24 года.

Объединение потоков

Создание гибридных материалов в настоящее время включает в себя два потока синтеза. Неорганические и полимерные материалы производятся раздельно, даже если оба синтезируются одновременно - тогда требуется дополнительное время для смешивания двух материалов вместе.

Это раздражает в лаборатории, но является экономическим препятствием при массовом производстве, которого требует промышленность.

"С промышленной точки зрения, это действительно сложно и дорого масштабировать", - сказала Мирмира. "Если вы можете приготовить их оба в одном горшке, то теперь вы сократили трудозатраты, необходимые для изготовления гибридного материала".

Смешивание высокотехнологичных синтетических материалов сопряжено с теми же проблемами, что и смешивание овсяных хлопьев - комочки. Свернувшаяся, комковатая смесь означает неэффективные батареи, слипшиеся герметики, менее полезную электронику.

"Я приготовил порошок, керамику, я приготовил полимер, позвольте мне смешать их", - сказал Аманчукву. "Проблема в том, что составляет хорошую смесь? Вы хотите хорошего микширования? А ты нет? Агломерируются ли частицы? Разве нет?"

Смешивание материалов в одном горшке не только создает идеальную физическую смесь, но команда также увидела, как некоторые материалы соединяются химически.

"Для некоторых комбинаций неорганического предшественника и полимерного предшественника мы увидели признаки сшивания, что означает химическую связь между неорганическим веществом и полимером", - сказал Аманчукву. "Это просто химия новых материалов, которая привела нас в восторг".

Множество приложений

Основное внимание в статье уделялось литиевым батареям, поскольку они наиболее распространены в электромобилях, сетевых накопителях и других приложениях. Но этот метод также может работать с натриевыми батареями, которые продвигаются как менее дорогая и более распространенная альтернатива литиевым.

"На самом деле речь идет о замене одного из реагентов на неорганический, чтобы сделать его применимым и для элемента натриевой батареи", - сказала Мирмира.

По словам Мирмиры, для масштабирования процесса в одном котле до уровней, необходимых для промышленного производства, потребуется "настроить пару разных регуляторов". Для начала процесс должен проходить полностью без доступа воздуха, в среде аргона или другого инертного газа. Это проще поддерживать в лаборатории, чем на заводе.

Во-вторых, кастрюля становится горячей. Выход на промышленный уровень потребует точной настройки - емкость должна нагреться настолько, чтобы синтезировать полимер, но не настолько, чтобы температура разложения материала превысила допустимую.

"Когда вы увеличите масштаб этой реакции, у вас будет больше материала, сосуд, по сути, станет еще более горячим", - сказала Мирмира. "Так что тебе придется побеспокоиться о контроле температуры".

Как только эти препятствия будут преодолены, исследования приведут к созданию совершенных, однородных гибридов экономически и химически эффективным способом.

"Такой контроль над возможностью получения полностью интегрированного неорганического полимерного материала был задачей, которую мы пытались решить, и довольно крутой вещью, которой нам удалось достичь", - сказала Мирмира.