Ученые из Болонского университета разработали новые экологичные сепараторы для аккумуляторов и суперконденсаторов на основе альгината – природного полимера, получаемого из бурых водорослей. Эти разделители способны заменить традиционные мембраны из полиэтилена и полипропилена, которые сегодня широко применяются в литиевых батареях, но производятся из нефти и практически не разлагаются в природе.
Сепаратор – это тонкая пористая пленка, расположенная между анодом и катодом аккумулятора. Она не участвует в химических реакциях, но выполняет важные функции – предотвращает короткое замыкание и пропускает ионы, обеспечивая движение заряда. От ее свойств зависит стабильность, мощность и срок службы устройства. Коммерческие сепараторы из полиолефинов хорошо справляются со своей задачей, но не разлагаются в природе и создают сложности при утилизации.
В поисках решения этой проблемы исследователи и обратились к альгинату – природному полисахариду, содержащемуся в клеточных стенках бурых водорослей. Альгинат нетоксичен, недорог и устойчив к нагреву, а при взаимодействии с ионами кальция образует прочные гелевые структуры. На его основе были созданы два типа мембран. Одна – из натриевого альгината и полиэтиленоксида – для литиевых аккумуляторов с органическими электролитами. И вторая – из кальциевого альгината с добавлением полиэтиленоксида, усиленная волокнами поливинилиденфторида – для водных суперконденсаторов.
Мембраны получали методом фазовой инверсии – контролируемого перехода полимера из раствора в твердое состояние. В отличие от традиционных технологий, использующих токсичные растворители, здесь применялись только вода и этанол. Это позволило точно регулировать пористость и толщину материала.
В ходе испытаний мембраны показали высокую термостойкость (разрушение начиналось при температурах выше 240 °C) и достаточную прочность для работы в реальных устройствах. Сканирующая электронная микроскопия подтвердила, что натриевая мембрана имеет плотную структуру с порами около 100 нанометров, тогда как кальциевая образует трехмерную сеть с крупными порами, способствующими впитыванию электролита и быстрому переносу ионов. При этом обе разновидности успешно проводили заряд, не вызывая коротких замыканий. В литиевых элементах мембрана на основе натриевого альгината выдержала длительные циклы осаждения и растворения лития, обеспечив стабильную работу без деградации материала. В водных суперконденсаторах кальциевая мембрана показала феноменальную долговечность – более 250 тысяч циклов зарядки-разрядки при сохранении свыше 90% исходной емкости и минимальном токе утечки. Эти показатели характерны для промышленных образцов высокого уровня.
В дальнейшем исследователи планируют усовершенствовать состав мембран, повысив ионную проводимость и устойчивость при длительной работе. Для этого они намерены экспериментировать с соотношением компонентов и структурой пор.
