Алюминий в скорлупе — возможно, лучший материал для анода

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и китайского Университета Циньхуа нашли новый способ борьбы с извечной проблемой литиевых батарей — деградацией их характеристик после многократной перезарядки. Разрушающийся из-за изменения объема верхний слой электродного материала необратимо удерживает часть лития, изымая его из реакции, ведущей к накоплению-высвобождению заряда.

Метод, рассмотренный на страницах журнала Nature Communications, предусматривает создание электрода, в котором свой объем изменяет только сердцевина алюминиевых наночастиц, не затрагивая жесткой оболочки из диоксида титана. Такая инновация, по мнению ее авторов, может значительно увеличить срок эксплуатации батарей, обеспечит рост их мощности и емкости.

Большинство современных литий-ионных батарей снабжены графитовым анодом. Графит имеет довольно скромную удельную емкость 0,35 Ач/г. Например, у металлического лития она в 10 раз, но применение таких электродов опасно из-за риска короткого замыкания и возгорания. Кремний и олово также имеют высокую емкость, но быстро ее теряют при частой перезарядке.

Алюминий недорог и его удельная емкость составляет 2 Ач/г. Но его объем при поглощении и высвобождении лития претерпевает большие изменения, что порождает значительные механические напряжения в материале и разрушает приповерхностный слой твердой интерфазы электролита.

Таким образом, вполне закономерной была идея использовать алюминия в качестве ядра наночастиц типа yolk-shell (желток-скорлупа). Так в нанотехнологиях называется структура, сердцевина которой (в отличие от core-shell) не связана жестко с оболочкой. Алюминиевый «желток» имеет возможность расширяться и сжиматься без ограничений — стабильность работы анода обеспечивает независимая жесткая «скорлупа» диоксида титана, отделяющая алюминий от жидкого электролита.

В тестах, даже после 500 циклов перезарядки электроды оставались чистыми без накапливания интерфазы, оболочка все еще полностью облегала 30-нанометровое алюминиевое ядро, в то же время пропуская электроны и ионы. Исходная удельная емкость такого электрода составила 1,2 Ач/г. При быстрой зарядке (6 минут до полного заряда) после 500 циклов емкость все еще составляла 0,66 Ач/г.

Комплексные испытания батарей с анодом ATO (алюминий, титан, оксид) и катодом из фосфата железа и лития прошли успешно, что свидетельствует о практической готовности ATO для реальных приложений, особенно нуждающихся в большой емкости и мощности источников энергии. Для них, по мнению авторов, это «возможно, лучший из доступных сегодня анодных материалов».

Комп’ютерний розум: генеративний штучний інтелект у рішеннях AWS