Ученые из Болонского университета разработали новые экологически чистые сепараторы для аккумуляторов и суперконденсаторов на основе альгината – природного полимера, получаемого из бурых водорослей. Эти сепараторы могут заменить традиционные полиэтиленовые и полипропиленовые мембраны, широко используемые в литиевых аккумуляторах, которые производятся из нефти и практически не разлагаются в природе.
Сепаратор – это тонкая пористая плёнка между анодом и катодом аккумулятора. Он не участвует в химических реакциях, но выполняет другие очень важные функции: предотвращает короткое замыкание и пропускает ионы, обеспечивая движение заряда. Его свойства определяют стабильность, ёмкость и срок службы устройства. Коммерческие сепараторы, изготовленные из олефинов, достаточно эффективны, но они не разлагаются в биологическом смысле и создают трудности при утилизации.
В поисках решения исследователи обратились к альгинату – природному полисахариду, содержащемуся в клеточных мембранах бурых водорослей. Альгинат нетоксичен, он дешёвый и устойчивый к нагреванию, а при взаимодействии с ионами кальция образует прочные гелевые структуры. На основе альгината были созданы два типа мембран. Первая – из альгината натрия и полиэтиленоксида – предназначена для литиевых батарей с органическими электролитами. Второй – из альгината кальция с добавлением полиэтиленоксида, армированного поливинилиденфторидными волокнами, – для водяных суперконденсаторов.
Мембраны были получены методом фазовой инверсии – контролируемого перехода полимера из раствора в твёрдое состояние. В отличие от традиционных технологий, использующих токсичные растворители, здесь применялись только вода и этанол. Это позволило точно контролировать пористость и толщину материала.
В ходе испытаний мембраны продемонстрировали высокую термостойкость (разрушение начиналось при температуре выше 240 °C) и прочность, достаточную для использования в реальных устройствах. Сканирующая электронная микроскопия подтвердила, что натриевая мембрана имеет компактную структуру с порами размером около 100 нанометров, в то время как кальциевая мембрана образует трёхмерную сеть с крупными порами, обеспечивающими поглощение электролита и быструю миграцию ионов. Оба типа мембран успешно переносили заряд без коротких замыканий. В литиевых элементах мембрана на основе альгината натрия выдерживала длительные циклы осаждения и растворения лития, обеспечивая стабильную работу без деградации материала. В водяных суперконденсаторах кальциевая мембрана продемонстрировала беспрецедентный срок службы – более 250 тысяч циклов зарядки-разрядки с сохранением более 90 % начальной ёмкости и минимальным током утечки. Эти параметры типичны для предсерийных прототипов высокого класса.
В будущем исследователи планируют улучшить состав мембран, повысив их ионную проводимость и устойчивость к длительной эксплуатации. Для этого они намерены поэкспериментировать с соотношением компонентов и структурой пор.