Ученые из Университета Минью в Португалии и Баскского университета в Испании разработали способ получения твердых полимерных электролитов для литий-ионных батарей с использованием 3D-печати. В своей работе они доказали, что замена традиционного токсичного растворителя на более экологичные аналоги напрямую влияет на свойства материала и характеристики аккумулятора.
Современные литий-ионные аккумуляторы, как известно, используют жидкие электролиты, обеспечивающие перенос ионов лития между электродами. Несмотря на высокую эффективность, такие системы связаны с рисками – жидкие компоненты могут быть токсичными и воспламеняемыми. В качестве альтернативы рассматриваются твердые электролиты, в том числе полимерные, которые сочетают механическую прочность с возможностью проводить ионы.
В своем исследовании пиренейские ученые использовали фторсодержащий полимер, дополненный ионной жидкостью для повышения проводимости и цеолитом, который стабилизирует структуру материала. А ключевым технологическим решением стало применение метода прямого выдавливания, позволяющего формировать электролит в виде заданных структур с высокой точностью. Такой подход улучшает контакт между компонентами батареи и дает возможность управлять ее геометрией.
Особое внимание исследователи уделили выбору растворителя, используемого при подготовке печатной смеси. Обычно применяют токсичный диметилформамид, но в этой работе его заменили на более безопасные вещества – ацетон, диметилсульфоксид и N-метил-2-пирролидон. Выяснилось, что именно растворитель во многом определяет структуру материала, его прочность и способность проводить ионы лития.
Наилучшие результаты продемонстрировал ацетон. Благодаря низкой температуре кипения он быстро испаряется в процессе печати, что способствует формированию более упорядоченной структуры материала. В результате полученный электролит показал наибольшую ионную проводимость – около 1,5 × 10⁻⁵ См/см. Это означает существенно более быстрое и эффективное перемещение ионов лития внутри материала и, как следствие, более стабильную работу аккумулятора.
Испытания собранных твердотельных элементов подтвердили эти выводы. Батареи с электролитом, полученным с использованием ацетона, сохраняли около 90% емкости после 60 циклов заряд-разряд и обеспечивали удельную емкость на уровне 135 мА·ч на грамм. Образцы с другими растворителями работали хуже, в том числе из-за менее устойчивой структуры и ухудшенного контакта внутри батареи.
