31.05.2022
Физики Череповца работают над созданием отечественных литий-ионных аккумуляторов
В непростое для России время производство некоторых востребованных видов товаров и даже развитие целых стратегических отраслей промышленности в нашей стране оказалось под угрозой. В связи с этим Правительство РФ приняло меры по реализации программ импортозамещения, иначе говоря, по развитию собственных аналогов востребованной продукции и технологий, ранее в стране не производящихся.
Всем известны литий-ионные аккумуляторы (ЛИА), без которых не обойтись в промышленности и в быту, они отличаются возможностью более длительное время работать без подзарядки (по сравнению с другими типами аккумуляторов: кислотно-щелочными).
Впервые добиться данного эффекта удалось фирме “Sony” более 20 лет назад, применив многослойную пористую полипропиленовую пленку-сепаратор, разделяющую электроды (ЛИА). За счет прохождения ионов лития через поры пленки от катода к аноду увеличивалось время работоспособности ЛИА.
Следовательно, для производства ЛИА основными компонентами являются многослойная полипропиленовая пленка, растворитель (электролит) и литий-содержащее сырье, дающее при соединении заряженные частицы – ионы лития.
Основным крупным производителем полипропиленовых сепараторов является Китай и западноевропейские страны, которые в настоящее время «заморозили» все поставки сепараторов ввиду санкций.
Исследователи в физико-химических и производственных лабораториях разных стран работают над проблемами стабильности и надежности ЛИА при различных внешних условиях. Основной причиной выхода из строя ЛИА является, прежде всего, дневное «старение» полимерных пленок-сепараторов.
Было обнаружено, что «время жизни» сепаратора зависит от типа химического растворителя (электролита), взаимодействие с которым приводит к дополнительным деформациям в пленке и ухудшению ее механических и транспортных свойств.
Сотрудники кафедры физики Череповецкого государственного университета, проанализировав сведения из множества зарубежных источников, составили полную базу измеренных и рассчитанных механических свойств полипропиленовых пленок-сепараторов, помещенных в различные электролиты. На основе полученных данных заведующий кафедрой физики, доктор физико-математических наук, профессор Андрей Владимирович Максимов за последний год создал общую теорию механических свойств для любых пористых полимерных пленок, находящихся в разных растворителях.
Основные результаты этих исследований, проведенных сотрудниками кафедры физики и лаборатории математического и компьютерного моделирования наноструктур ЧГУ, вошли в материалы двух статей, подготовленных для международных журналов Американского химического общества (ACS), входящих в базы цитирования Web&Science и Scopus.
Позже выяснилось, что практическим следствием этой теории является возможность разработки универсального алгоритма подбора оптимального электролита не только для полипропиленовой, но и для любой полимерной пленки.
Этот подбор можно сделать не за счет «слепого» перебора множества растворителей для заданной пленки, а с помощью специальной программы, разработанной в лаборатории математического и компьютерного моделирования наноструктур ЧГУ.
В оптимальном электролите «мокрая» полимерная пленка будет сохранять механические свойства сухой пленки, но уже не будет деформироваться в растворителе, что как раз и приводит к долгосрочной эксплуатации ЛИА.
Этот инновационный алгоритм профессор А. В. Максимов вместе с сотрудниками предполагает запатентовать в России и внедрить на базовом предприятии АО «Энергия» (г. Елец), занимающемся разработкой технологий производства российских литий-ионных аккумуляторов на основе других полимерных пленок-сепараторов.
«Новое научное направление исследований на кафедре физики с интересным практическим выходом настолько увлекло меня, что в следующем учебном году я даже собираюсь закончить преподавательскую деятельность и полностью переключиться на исследовательскую работу в лаборатории для создания подобных проектов», – отметил Андрей Владимирович Максимов.
Вторую комплексную проблему при создании отечественных ЛИА – проблему замещения ионов лития другими ионами – предполагается решать в ближайшем будущем в лаборатории математического и компьютерного моделирования наноструктур ЧГУ.
«Если каждый российский ученый: физик, химик или программист сможет подключиться к решению какой-нибудь задачи даже в этой проблеме по реализации импортозамещения ЛИА, то в этом и будет заключаться его патриотизм в непростое для России время», – подчеркивает ученый.
