Жидкий металл герметично запечатал гибкий аккумулятор

Китайские материаловеды предложили запаивать литий-ионные аккумуляторы в гибких электронных устройствах жидким металлом. Жидкий сплав галлия и индия позволил изолировать ячейку от кислорода, водяного пара и этанола, не испортив при этом ее электрохимических свойств. Такая батарейка сохранила больше 70 процентов емкости после 500 циклов зарядки и разрядки и не потеряла свойств при деформации, пишут авторы статьи в Science.

Чтобы аккумулятор работал достаточно долго, его функциональные компоненты: электроды и электролит — должны быть максимально изолированы от внешней среды. Тогда внутрь ячейки не будут попадать молекулы газов, в частности воды и кислорода, — и это позволит избежать окисления материалов и падения емкости батареи. Обычно в аккумуляторах для изоляции электрохимической ячейки используют металлы, такие как алюминий.

Однако для гибких электронных устройствах, которые должны легко растягиваться и скручиваться, металлы с огромным модулем Юнга (порядка 10¹⁰ паскаль) не годятся, и батарейки в них обычно изолируют эластомерами — упругими полимерными материалами. Эластомеры гибкие, но у них обратная проблема: между подвижными полимерными цепочками образуются довольно крупные поры, через которые внутрь электрохимической ячейки свободнее проникают молекулы газов, из-за чего у батарейки быстрее падает емкость. В качестве компромиссного варианта материаловеды предлагают использовать комбинации из эластомеров и металлов, но пока совместить достаточную герметичность батарейки с гибкостью не удается.

Китайские материаловеды под руководством Дэна Тао (Deng Tao) из Шанхайского университета Цзяотун предложили решить проблему герметичности аккумуляторной ячейки, запечатывая соединения вместо полимера жидким металлом. Поскольку у жидких металлов нет кристаллической структуры, они могут растягиваться и их эффективный модуль Юнга на несколько порядков ниже, чем даже у полимерных материалов. Из-за этого их довольно часто используют в гибкой электронике в других целях: для термостатирования, охлаждения или в качестве элементов электрических цепей.

При этом, как и у твердых металлов в обычных аккумуляторах, у жидкометаллических сплавов очень маленькая пористость и они почти непроницаемы для молекул газов. Проницаемость для воды, как минимум, на два порядка меньше, чем у полимерных материалов, а для кислорода — минимум, на шесть порядков, и соизмерима с проницаемостью у твердых металлов.

Чтобы проверить свою идею, исследователи взяли эвтектический сплав галлия и индия, которым запаяли гибкий литий-ионный аккумулятор. Аккумулятор состоял из трех слоев: снизу — гибкая подложка из полидиметилсилоксана, в середине — сама ячейка с оксид-марганцевым катодом, титанат-фосфатным анодом и водным электролитом, а сверху — еще одна пластина из полидиметилсилоксана. Нижняя и верхняя пластины были также покрыты стеклянными шариками, которые работали спейсерами и не давали слоям склеиться.

Соединив три слоя между собой и изолировав электроды для предотвращения короткого замыкания, авторы затем заполнили пространство между гибкими пластинами жидким металлом — и получили готовый гибкий аккумулятор. По своим механическим свойствам он не отличался от такой же ячейки без жидкометаллического запаивания (то есть эффективный модуль Юнга изолирующего слоя оказался нулевым, и на поведение батарейки при деформации он не влиял).

Чтобы убедиться, что и проницаемость для газа у жидкометаллического слоя низкая, ученые измерили электрохимические параметры аккумулятора после многократных циклов зарядки и разрядки. Оказалось, что без дополнительной механической нагрузки такой аккумулятор сохраняет около 90 процентов емкости после 140 циклов и примерно 72,5 процента — после 500 циклов. Измеренное падение емкости авторы связали с побочными реакциями внутри аккумулятора, а возможное влияние кислорода и водяного пара по сравнению в ними оказалось пренебрежимо малым.

Кроме того, авторы проверили, как такая батарейка будет работать при деформации. Оказалось, что никакого измеримого влияния на емкость ни оказывают ни растяжение (до 20 процентов), ни изгиб (на углы до 60 градусов), ни скручивание (на углы до 90 градусов), ни комбинация этих видов деформаций.

Авторы работы предполагают, что такие гибкие аккумуляторы можно будет использовать в том числе для создания гибких теплообменных устройств. Поэтому дополнительно ученые показали, что жидкометаллический изоляционный слой непроницаем еще и для этанола — рабочей жидкости в таких устройствах — и эффективно работает при нагревании. Ученые отмечают, что жидкометаллические сплавы также перспективны в качестве барьерных материалов и для беспроводной носимой электроники.

Жидкометаллические сплавы материаловеды предлагают использовать не только для вспомогательных компонентов электронных устройств, но и в качестве их функциональных частей. Например, американские ученые собрали аккумулятор, в котором анод сделан из сплава натрия с калием, а катод — из жидких сплавов на основе галлия. А китайские химики — предложили делать из жидкого металла проводящие элементы гибких устройств.