Создан «сверхбыстрый» проводящий полимер

Сопряженный полимер с red-ox фрагментом, синтезированный в работе.

Liang et al./JACS

Коллектив ученых из США синтезировал полимер для литий-ионных батарей с рекордной скоростью зарядки. Его ключевым свойством стало сочетание проводящего сопряженного каркаса с окислительно-восстановительными фрагментами. Работа опубликована  в Journal of American Chemical Society.

Для того, чтобы полимер можно было использовать в литий-ионной батарее, он должен обладать двумя свойствами: проводимостью и окислительно-восстановительной (redox) способностью. Последняя нужна для того, чтобы насытить полимер литием, этот процесс называется допированием. 

Полимеры, которые исследовали в работе, содержат в структуре мономера фрагменты нафталиндиимида и дитиофена. Оба они обладают сопряженной π-электронной структурой, что обуславливает электронную проводимость полимера. При этом каждая молекула нафталиндиимида может быть допирована двумя атомами лития, то есть полимер может выступать проводником для ионов лития.

Ключевой характеристикой нового полимера, выгодно отличающей его от предшественников, стала устойчивость в процессе зарядки-разрядки. Лабораторные испытания показали, что после 3000 циклов перезарядки тестовый элемент сохранял 96% исходной емкости. Также в сравнении с полимерами, которые сейчас используют при создании аккумуляторов, новый материал показал лучшие результаты по скорости зарядки: 36 секунд до 100% при потере емкости в 5%.



Подобные полимеры уже синтезировали раньше, но они обладали характерными недостатками: плохой обратимостью допирования или слабой проводимостью в допированном состоянии. В новой работе авторы решили эти проблемы: в их полимер можно включить два атома лития на одно звено, а проводимость не подавляется даже при больших концентрациях лития.

Для того, чтобы подчеркнуть вклад в проводимость от сопряженной π-электронной структуры, ученые использовали два полимера, которые отличаются только фрагментом -CH2-CH2-. Включение этой группы нарушает сопряжение, что значительно снижает электронную проводимость соответствующего полимера. 



Авторы замечают, что по сравнению с неорганическими аналогами их материал имеет небольшую удельную емкость (54 миллиамперчаса на грамм). Они объясняют это тем, что в погоне за сочетанием электронных и red-ox свойств они не уделили внимания другим вопросам молекулярного дизайна. Так, в их полимере значительную долю объема занимают алкильные «хвосты» -С8- и -C10-, которые не проводят ток и не несут заряд. Уменьшение такого «мертвого груза» может увеличить удельную емкость материала.

Синтез новых полимерных материалов направлен на создание «сухих» литий-ионных аккумуляторов, в которых вместо жидкого органического электролита используется твердый полимер. В таком подходе есть ряд преимуществ: аккумуляторы с твердым «электролитом» могут иметь практически любую форму и размер, что принципиально важно в сфере мобильной электроники. 

Еще одной проблемой традиционных литий-полимерных батарей является пожароопасность. Использование тверодго полимера вместо органических жидкостей сможет решить эту проблему.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.