Проводящие полимеры, синтетические вещества с крупными молекулами, способными проводить электричество, могут иметь широкий спектр ценных применений. Например, они используются для создания датчиков, светоизлучающих диодов, фотоэлектрических и различных других устройств.

В последние годы эти проводящие материалы оказались особенно перспективными для создания устройств преобразования и хранения энергии, включая аккумуляторы. Однако методы добавления этих функциональных свойств не всегда надежны, что существенно ограничивает масштабное внедрение батарей на основе этих материалов.

Исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли недавно представили стратегию, которая может помочь надежно создать иерархически упорядоченные структуры (HOS) с четко определенными формами в проводящих полимерах. Эта стратегия, представленная в статье, опубликованной в журнале Nature Energy, может открыть новые возможности для создания высокопроизводительных аккумуляторных технологий, в частности, литий-ионных батарей.

"При традиционном создании проводящих полимеров органические функциональные группы вводятся с помощью восходящих синтетических подходов для улучшения конкретных свойств путем модификации отдельных полимеров", - пишут в своей статье Тяню Жу и его коллеги. "К сожалению, добавление функциональных групп приводит к противоречивым эффектам, что ограничивает возможности их масштабного синтеза и широкого применения. Мы демонстрируем проводящий полимер с простыми первичными строительными блоками, который можно термически обрабатывать для создания иерархически упорядоченных структур (HOS) с четко определенной нанокристаллической морфологией".

Вместо того чтобы изменять первичные структуры проводящих полимеров, как это делалось в предыдущих работах, Жу и его коллеги исследовали возможность формирования на материалах хорошо организованных трехмерных архитектур. Эти структуры могут обеспечить желаемые функциональные свойства без необходимости увеличения первичной структурной сложности полимера.

Предложенный исследователями подход к формированию таких структур основан на контролируемом термическом процессе. В рамках своего исследования они специально использовали его для улучшения механических и транспортных свойств проводящего полимера под названием поли(9,9-диоктилфлуорен-со-флуоренонеко-метилбензойный эфир) или ПФМ.

"Наш подход к созданию постоянных HOS в проводящих полимерах приводит к существенному улучшению свойств переноса заряда и механической прочности, что крайне важно для практических литий-ионных батарей", - поясняют Жу и его коллеги в своей статье. "Наконец, мы продемонстрировали, что проводящие полимеры с HOS обеспечивают исключительную производительность циклирования полных элементов с высоконагруженными микроразмерными анодами на основе SiOx, обеспечивая ареальную емкость более 3,0 мАч см-2 в течение 300 циклов и среднюю кулоновскую эффективность >99,95%".

Первоначальные оценки, проведенные этой группой исследователей, дали очень многообещающие результаты, подчеркивающие перспективность их подхода в повышении функциональности проводящих полимеров. Затем Чжу и его коллеги показали, что эти улучшенные полимеры позволяют создавать высокоэффективные литий-ионные батареи.

Хотя исследователи пока применяют свой метод в основном к полимеру PFM, потенциально он может быть использован для изменения транспортных свойств широкого спектра других проводящих полимеров. Это означает, что он может помочь в разработке многочисленных технологий и устройств, включая биологические датчики, дисплеи и фотоэлектрические батареи, например, повысить их стабильность, транспортную эффективность и долговечность.