Емкость литий-ионных батарей удалось увеличить в 10 раз, сохранив долговечность
Один из вариантов увеличения производительности современных литий-ионных батарей — использование кремния, способного поднять емкость в десять раз. Японские ученые придумали, как это сделать, не снижая долговечность батареи. Для этого они разработали особую конструкцию анода из крошечных арок, которые обеспечивают нужную надежность.
Современные состоят из двух электродов и жидкого электролита, который переносит ионы лития между ними. Один из электродов, анод, изготавливается из графита. Он хорошо зарекомендовал себя в аккумуляторах различного назначения, но инженеры увидели потенциал в другом материале.
«В графитовом аноде нужны шесть атомов углерода, чтобы сохранить один ион лития, поэтому плотность энергии у них низкая», — пояснила Марта Харо, первый автор исследования.
Используя вместо графита кремний, можно значительно повысить плотность энергии, так как каждый атом кремния способен соединяться с четырьмя ионами лития, пишет New Atlas. Правда, прежние попытки создания такой батареи наталкивались на проблемы со стабильностью, поскольку кремний не обладает такой же долговечностью, как графит, и быстро ломается из-за постоянных циклов расширения и сокращения.
«Кремниевые аноды способны запасать в 10 раз больше заряда в данном объеме, чем графитовые — на целый порядок больше в показателях энергетической плотности, — сказала Харо. — Проблема в том, что когда ионы лития движутся к аноду, изменение объема оказывается таким огромным, до 400%, что электроды трескаются и ломаются».
Команда ученых из Научно-технического института Окинавы экспериментировала со слоями кремния различной толщины и обнаружила, что одна комбинация придает материалу очень полезные свойства жесткости. При тщательном изучении оказалось, что когда атомы кремния наносят на металлические наночастицы, они образуют крошечные колонны в виде перевернутых конусов. Когда они достигают определенной высоты, они касаются друг друга и образуют прочные арочные структуры.
Если вырастить эти арки правильной высоты, они придают аноду нужную структурную прочность. Испытания показали, что тогда эти наноструктуры повышают зарядную емкость батареи и позволяют выдержать больше циклов зарядки.
Помимо применения в литиевых аккумуляторах разработчики видят потенциал изобретения в других областях, например, в производстве биологических имплантов или систем хранения водорода.