Разработка новых составов электролитов — ключевое направление в развитии аккумуляторных технологий. Особый интерес представляют фторированные добавки, способные повышать стабильность и долговечность аккумуляторов. Однако их широкому внедрению препятствуют высокая стоимость и потенциальный вред для окружающей среды, так как наиболее часто используемые перфторкарбоновые кислоты накапливаются в живых организмах. В этом контексте учёные из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН предложили практичное решение — использование олигомеров тетрафторэтилена (тефлона, TFE-T) в качестве дешевой, эффективной и безопасной добавки для электролита. Тефлон используется в промышленности очень давно и отсутствие в его структуре полярных групп обеспечивает его полную химическую инертность, нерастворимость в водных средах и, как следствие, он сравнительно безопасен и не накапливается в экосистемах.

Особенность метода заключается в радиационно-химическом синтезе олигомеров тефлона непосредственно в среде электролита, что обеспечивает высокую чистоту продукта. Добавление малых количеств TFE-T (около 2–3 мас.%) существенно улучшает характеристики аккумуляторов. Так, в литий-ионных системах добавка стабилизирует структуру неорганического катода (NMC, NCA) и повышает удельную ёмкость и долговечность устройства. В калий-ионных аккумуляторах с органическим катодом добавка также способствует сохранению ёмкости при длительном циклировании.

Механизм действия добавки был изучен с помощью комплекса аналитических методов. Установлено, что TFE-T встраивается в защитные слои на поверхности электродов, стабилизируя их и подавляя нежелательные побочные процессы, в частности разупорядочение катионов металлов в кристаллической структуре катода NCA.

Наиболее впечатляющим свойством олигомеров тефлона оказалась способность обеспечивать беспрецедентную радиационную стойкость аккумуляторов. Аккумуляторы с модифицированным электролитом выдерживали экстремальные дозы гамма-излучения (до 400 кГр), в то время как контрольные образцы со стандартным электролитом демонстрировали существенную деградацию уже после 150 кГр.

Таким образом, олигомеры тетрафторэтилена представляют собой экономичное и экологически безопасное решение для создания нового поколения аккумуляторов. Они сочетают в себе высокие удельные характеристик, длительный срок службы и устойчивость к экстремальным воздействиям, открывая перспективы для применения в самых различных областях — от электромобилей до космических аппаратов. Это исследование демонстрирует как достижения фундаментальной химии могут привести к прорывным технологическим решениям в энергетике.

В исследовании принимали участие научные сотрудники ФИЦ ПХФ и МХ РАН: Г. Баймуратова, Е. Щурик, Г. Кичигина, Ю. Федотов, П. Кущ, Н. Емельянов, Д. Кирюхин, О. Ярмоленко, О. Краевая, С.М Алдошин и П. Трошин

Guzaliya Baymuratova, Elena Shchurik, Galina A. Kichigina, Yuriy Sergeevich Fedotov, Pavel P. Kushch, Nikita A. Emelianov, Dmitry P Kiryukhin, Olga Victorovna Yarmolenko, Olga Kraevaya, Sergey M. Aldoshin and Pavel Troshin // Tetrafluoroethylene telomers as electrolyte additives enable high-performance, radiation-tolerant lithium and potassium batteries // Journal of Materials Chemistry A, IF-9.5

DOI https://doi.org/10.1039/D5TA08136J