В Южной Корее разработали новый полимерный связующий материал, увеличивающий срок службы батарей более чем в два раза

Репортаж от Wedoany，Объединённая исследовательская группа Университета Сонгюнгван (Sungkyunkwan University, SKKU) и Сеульского национального университета (Seoul National University) разработала новый гибридный полимерный связующий материал, который позволяет изготавливать более толстые электроды для литий-ионных аккумуляторов, повышая плотность энергии и продлевая срок службы батарей. Испытания показали, что мягкие аккумуляторы с использованием этого материала сохраняют 86,8% первоначальной ёмкости после более чем 200 циклов зарядки-разрядки, а срок службы увеличивается более чем в два раза по сравнению с традиционными батареями.

Исследование возглавил профессор Ки-Дже Ким из кафедры энергетических наук и кафедры энергетической инженерии будущего Университета Сонгюнгван в сотрудничестве с командой Чан Ук Чоя из Сеульского национального университета. Исследование направлено на решение отраслевой проблемы: увеличение толщины электродов повышает ёмкость аккумулятора, однако технологические проблемы в процессе производства значительно снижают циклическую стабильность и срок службы батарей.

Корень проблемы кроется в связующем материале электрода (binder). Широко используемый в отрасли связующий материал на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) в процессе сушки толстых электродов имеет тенденцию мигрировать к поверхности, что приводит к появлению трещин и отслаиванию электрода, ослабляет структурную целостность, препятствует движению ионов лития и ускоряет деградацию батареи. Исследовательская группа разработала двухфункциональный гибридный связующий материал под названием DHP, состоящий из высокоэластичного эластичного волокна (спандекс) и полиакриловой кислоты (ПАК), которая хорошо взаимодействует с материалом электрода. Свойства двух полимеров взаимодополняют друг друга, что позволяет сохранять структурную целостность толстых электродов, предотвращать образование трещин, а также повышать механическую прочность и улучшать транспорт ионов лития.

Результаты испытаний показали, что связующий материал DHP обладает почти вдвое большей адгезией по сравнению с традиционным связующим ПВДФ. В ходе начальных циклов зарядки-разрядки между литием и ПАК самопроизвольно формируется межфазный слой, способствующий более быстрому и равномерному переносу ионов лития внутри электрода, что улучшает электрохимические характеристики батареи. Исследовательская группа также провела проверку, изготовив крупноформатные мягкие аккумуляторы, близкие к промышленным масштабам: батарея с традиционным связующим материалом после примерно 95 циклов зарядки-разрядки значительно потеряла ёмкость и перестала работать, тогда как батарея с новым полимером сохранила 86,8% первоначальной ёмкости после более чем 200 циклов.

Что касается промышленного внедрения, эта технология может быть интегрирована в существующие производственные процессы с помощью влажного метода без необходимости модернизации производственных линий или инвестиций в новое оборудование. Производители могут использовать существующую инфраструктуру для производства аккумуляторов большей ёмкости. Профессор Ки-Дже Ким отметил, что ранее увеличение толщины и размеров электродов сдерживалось ограничениями традиционных связующих материалов и технологическими проблемами, а сочетание свойств эластичного волокна и полиакриловой кислоты позволило преодолеть это узкое место. Он подчеркнул, что новая технология может быть напрямую внедрена на существующих производственных линиях без необходимости использования развивающихся сухих методов производства и, как ожидается, сыграет ключевую роль в увеличении запаса хода электромобилей следующего поколения.