Доказана пригодность чистого кремния для использования в батареях
Детальное исследование наномеханического аспекта процессов деградации кремниевых структур с различным содержанием ионов лития, выполненное в Технологическом институте штата Джорджия (Georgia Tech), станет хорошим подспорьем для исследователей, пытающихся разработать надёжные аккумуляторные батареи нового поколения, оснащённые электродами на кремниевой основе.
Теоретически, кремниевые аноды могут хранить в десять раз больше лития, чем обычные графитовые электроды. Однако привлекательность чистого кремния для использования в высокопроизводительных батареях нивелируется его хрупкостью, не позволяющей такому материалу выдерживать значительные (до 280%) изменения объёма, которым анод подвергается в цикле зарядки/разрядки.
Используя сочетание экспериментальных методов и компьютерного моделирования, авторы исследования выявили неожиданно высокую стойкость к повреждениям у кремниевых материалов, электрохимически насыщенных литием. На основании этого открытия они вынесли вердикт, что аноды из чистого лития все-таки могут применяться в коммерческих батареях, но при условии, что заряд поддерживается на достаточно высоком уровне, чтобы материал сохранял присущую ему пластичность.
Наша работа имеет фундаментальное и немедленное значение для разработки высокоемких литиевых батарей, — заявил адъюнкт-профессор Georgia Tech, Шуман Ся (Shuman Xia). — Насыщенный литием кремний может обладать очень высокой стойкостью к повреждениям, начиная с некоторого порогового значения концентрации лития (мольное соотношение лития к кремнию около 1,5). Это говорит о том, что батареи на базе кремния могут быть очень надёжными, если тщательно следить за глубиной их разрядки".
Об этом исследовании, осуществлявшемся при содействии Национального научного фонда (NSF), сообщалось во вчерашнем номере журнала Nature Communications. В своих будущих работах авторы планируют исследовать механические свойства германия — другого перспективного анодного материала, — а также батарей с твёрдым электролитом.