«Гранатовый» анод сделает литий-ионные батареи в 10 раз мощнее

Электрод, с кремниевыми наночастицами, заключенными, подобно зернышкам граната, в прочную углеродную оболочку, – поможет преодолеть последние проблемы, препятствующие использованию кремния в новом поколении литий-ионных батарей.

Кремниевые аноды, в принципе, способны в процессе зарядки батарей запасать в себе в 10 раз больше энергии, чем применяемые сегодня графитовые. Однако реализации этих плюсов на практике мешает хрупкость кремния. При зарядке он увеличивается в объеме и частично разрушается, вступая в реакцию с электролитом. Продукты этой реакции загрязняют поверхность электрода, что снижает эффективность его работы.

На протяжении последних восьми лет коллектив исследователей из Стэндфордского университета пытался найти решение этой проблемы, используя волокна кремния, слишком миниатюрные, чтобы разрушаться на еще более мелкие фрагменты. Они также экспериментировали с кремниевыми наночастицами, заключая их в углеродную «скорлупу», достаточно просторную, чтобы позволять им беспрепятственно распухать при зарядке.

Новая работа основана на этих предшествующих исследованиях. С помощью микроэмульсионной технологии, широко применяемой при нефтепереработке, производстве лакокрасочной и косметической продукции, ученые из Стэндфорда и Национальной лаборатории ускорителя SLAC собрали кремний-углеродные «семечки» в кластеры, и покрыли их еще одной, более толстой коркой углерода. Такая внешняя углеродная оболочка не только удерживает кластер вместе, но и служит проводником электрического тока.

Для невооруженного глаза созданные кластеры имеют вид черного порошка. Его можно наносить толстым слоем на фольгу, получая анод. Эксперименты показали, что подобный «гранатовый» анод сохраняет 97% эффективности даже после тысячи циклов зарядки-разрядки, что уже вплотную приближается к уровню стабильности работы, требующемуся для коммерческих аккумуляторных батарей.

«Эта конструкция приближает нас к использованию кремниевых анодов в более миниатюрных, легких и мощных батареях для таких продуктов как сотовые телефоны, планшеты и электромобили», – считает И Цуй (Yi Cui), адъюнкт-профессор Стэндфорда и SLAC, руководивший исследованием, о котором сообщает статья в свежем номере Nature Nanotechnology.

Но перед тем как перейти к внедрению, авторам новой конструкции анода предстоит решить еще два важных вопроса. Требуется упростить процесс изготовления кластеров и найти более дешевый источник кремниевых наночастиц. Одним из возможных вариантов, по мнению Цуя, может быть рисовая шелуха: она непригодна в пищу, ее получают миллионами тонн, при этом весовое содержание двуокиси кремния в ней составляет 20%.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365