Воробьев И.С., Смирнов С.С., Смирнов С.Е.

Национальный исследовательский университет «МЭИ», Россия

ТВЕРДОПОЛИМЕРНЫЙ ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ ЛИТИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Основные проблемы литий - ионного аккумулятора обусловлены наличием в его составе жидкого электролита, коррозионная активность которого является причиной падения энергетических характеристик, ресурса и сохраняемости аккумулятора [1]. Несмотря на несомненные успехи в области развития жидкого электролита, ряд проблем связанных с его использованием все же остается нерешенным. Так, например, до сих пор полностью не решена проблема взаимодействия апротонного электролита с электродными материалами в процессе хранения и эксплуатации. На базе жидкого ионного проводника не представляется возможным создание высоко востребованных современной медициной и электроникой миниатюрных источников тока, а также элементов сложной геометрической формы. Применение твердополимерных электролитов в литиевых источниках тока позволяет создать источники тока самой разнообразной конфигурации и габаритов с характеристиками, труднодостижимыми при использовании жидких электролитов: повышенной безопасностью, высокой сохраняемостью и механической прочностью . Кроме того, возможность разработки на базе твердополимерных электролитов (ТПЭ) тонкопленочных источников тока, встраиваемых непосредственно в микросхемы, позволяет интегрировать их с микроэлектронными устройствами [2].

Была синтезирована серия полимеров ряда модифицированного полисульфона, которые были использованы в качестве полимерной матрицы твердополимерных электролитов в настоящем исследовании. В процессе экспериментальных исследований было обнаружено, что на значение его электропроводности существенно влияют как параметры синтеза, так и состав и структура самого электролита, а именно массовое содержание им соли лития, в качестве которой использовали LiClO₄. Как показано на рисунке 1 поверхность корреляции изменения электропроводности ТПЭ от продолжительности и температуры сушки имеет характерный экстремум. По мере увеличения продолжительности термообработки при постоянной температуре электропроводность ТПЭ независимо от содержания соли лития сначала увеличивается, а затем, пройдя через максимальное значение, начинает уменьшаться. Такое поведение электрической проводимости можно объяснить тем, что при недостаточной продолжительности термообработки готовые пленки ТПЭ содержат в своей структуре определенную долю неиспарившегося растворителя и нерастворившуюся в полимере соль. Точка максимума соответствует полному растворению соли лития в полимерной матрице с одновременным абсолютным испарением растворителя, при этом дальнейшая термическая обработка должна приводить лишь к ухудшению механических и адгезионных свойств пленок ТПЭ, что и подтверждает экспериментальная поверхность корреляции.

Рис.1. Влияние параметров синтеза твердополимерного электролита на его электропроводность.

Методами рентгеновского микроанализа, сканирующей электронной микроскопии и просвечивающей микроскопии исследован состав и структурно-морфологическая организация образцов твердополимерных электролитов. Просмотр образцов проводили на сканирующем электронном микроскопе JSM-U3, снабженном приставкой для рентгеновского микроанализа WinEDS и на просвечивающем электронном микроскопе EM-301.Так как электролит представляет собой матрицу полимера, в которой в процессе сушки выкристаллизовывается твердая соль лития, то следует ожидать, что наилучшие показатели по электропроводности этой системы должны достигаться при наиболее равномерном распределении соли по ее объему и наименьшем размере частиц твердой фазы. Установлено, что основная масса частиц перхлората лития сравнительно равномерно распределена по исследованной поверхности. Средний размер частиц перхлората 20 – 30 нм. Наибольший интерес представляют плотные адсорбционные слои полимера «шуба», обволакивающие частицы дисперсной фазы. Именно эти слои образуют непрерывную «фазовую» сетку, способствующую ионной проводимости образцов порядка 5*10^-3 См/см, что на два порядка выше чем у существующих аналогов. Электролит обладает высокой стабильностью, инертностью по отношению к электродам литиевых источников тока и обеспечивает обратимость процесса заряда–разряда металлического лития.

Работа выполнена при финансовой поддержке стипендии Президента РФ.

Литература. 1.Смирнов С.Е., Пуцылов И.А., Смирнов С.С. Твердофазные литиевые источники тока.М. 2010. Изд-во «Компания Спутник+».77с. 2. Смирнов С.С., Ловков С.С., Пуцылов И.А., Смирнов К.С., Савостьянов А.Н. Разработка и исследование твердополимерных электролитов // Пластические массы.2010. № 8. С.43-47.