Эластичное покрытие улучшает долговечность кремниевых электродов в пять раз

Замена графитового электрода кремниевым позволила бы повысить емкость распространенных сегодня литий-ионных аккумуляторов в 10 раз — смартфоны и планшеты могли бы работать неделю без перезарядки. Проблема, из-за которой до сих пор этого не произошло, заключается в низкой стабильности кремниевых электродов. Всего несколько десятков перезарядок и они теряют способность удерживать электричество — из-за разбухания или по другим, еще невыясненным причинам — кремний покрывается трещинами и разрушается.

В новейшей попытке преодолеть ограничения этого перспективного материала сотрудники Pacific Northwest National Laboratory экспериментировали с электродами, изготовленными из мельчайших (диаметром примерно 150 нм) кремниевых сфер.Такая структура обеспечивала быструю и полноценную зарядку, но лишь частично замедляет растрескивание.

В сотрудничестве с коллегами из Университета Колорадо они обнаружили, что стабильность электрода можно значительно улучшить, покрыв кремниевые наночастицы резиноподобным слоем глицерола алюминия (алюкона). В естественном виде кремниевые наносферы могли продержаться от силы 30 циклов перезарядки, а с покрытием их хватало уже на 150 циклов.

Для того, чтобы прояснить механизм действия покрытия, было использовано уникальное оборудование, позволяющее наблюдать за поведением частиц при зарядке и разрядке.

С его помощью было установлено, что у наночастиц без покрытия оксидная оболочка препятствует расширению и ограничивает способность к поглощению лития при зарядке. Алюконовый слой делает сферы эластичней, облегчая им расширение и сжимание.

Микрофотографии показали и еще кое-то: алюкон замещал твердый оксид, предототвращая растрескивание кремния в процессе изменения объема. «Мы были удивлены, — признают участники работы в статье для ACS Nano. — Обычно удалить оксид непросто. Для этого приходится использовать кислоту. Но метод молекулярного осаждения полностью меняет защитный слой».

Помимо этого, резиноподобное покрытие мешает наночастицам слипаться вместе при зарядке, благодаря этому они могут продолжать поглощать литий всей своей поверхностью.

В настоящее время исследователи разрабатывают более простой способ нанесения алюкона на кремниевые наночастицы.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI