Разработка тонких, легких, растяжимых и экологичных батарей уже довольно давно является актуальной проблемой, стоящей перед физиками, химиками и материаловедами. В качестве материала электрода неоднократно предлагался проводящий полимер. Однако исследователи столкнулись с рядом проблем, которые не позволили приблизить коммерческое использование таких батарей, в частности такие источники питания продемонстрировали низкую скорость зарядки и значительное уменьшение емкости после циклов заряда-разряда.
Свою лепту в развитие батарей с электродом, изготовленным из проводящего полимера, внес коллектив исследователей университета из шведского города Уппсала. В качестве проводящего полимера они преложили использовать полипиррол (PPy), который нанесли на подложку из целлюлозы, полученной из водоросли Cladhophora. Выбор такой экзотической целлюлозы далеко не случаен и обусловлен гораздо большей удельной поверхностью, по сравнению с обычной хлопковой целлюлозой. PPy гомогенно наносится на такую целлюлозу в виде пленки толщиной несколько нанометров, и такой композит демонстрирует исключительно высокую емкость.
Композитный материал, представляющий собой тонкие черные листы, изготавливается окислением пиролла хлоридом железа (III) на поверхности целлюлозы (рис.1). Для определния количества PPy в композите был использован термогравиметрический анализ (ТГ), согласно которому в композите доля PPy составляет 2/3, что в свою очередь хорошо согласуется с данными просвечивающей электронной микроскопии. Для подтверждения этого был проведен химический CHN-анализ, который прекрасно согласуется с данными ТГ.
Для оценки перспективности полученного композита в качестве материала элетрода для батареи, была собрана измерительная ячейка, в которой окисленная и восстановленная части композита выступили в качестве электродов. Два электрода были разделены бумажным фильтром, смоченным в NaCl. В качестве токосъемника использовалась платиновая фольга. Во избежание испарения воды из электролита вся ячейка, заключенная между стеклянными пластинками, была помещена в алюминиевую упаковку, покрытую полимером. На рисунке 2 представлены результаты эксперимента по заряду-разряду при постоянном токе. На основании этих кривых была вычислена емкость, нормированная на общую массу композита. При увеличении силы тока с 10 до 320 мА, емкость понизилась всего на 28%, что является подтверждением выдающейся способности композита к быстрому окислению и восстановлению.
Для оценки срока службы батареи с электродами, изготовленными из описанного выше композита, измерительная ячейка была подвержена 100 циклам заряда-разряда при постоянном токе 320 мА (рис.3). Снижение емкости, нормированной на общую массу композита, составило всего 6%, что значительно меньше по сравнению с предыдущими исследованиями.
Использование механически твердого, легкого, растяжимого, экологичного и дешевого композита является крайне перспективным. Несмотря на все же меньшую удельную емкость полученного композита по сравнению с литий-ионными батареями, он может найти себе применение, где невозможно использование литий-ионного аккумулятора, например в дешевых крупноформатных устройствах и гибких батареях печатной электроники.
