Новые электродные технологии для более эффективных батарей

В Viterbi School of Engineering Университета Южной Калифорнии (USC) удалось усовершенствовать литиевые батареи благодаря разработанным там улучшенным материалам для анода и катода. Об этом сообщает журнал Nano Letters.

Традиционно, анод в литий-ионных элементах изготовляли из графита, но в последнее время, вместо него все чаще применяют кремний. Теоретическая емкость кремния, 3600 мА•ч/г, почти в 10 раз больше, чем у графита. Емкость литий-ионных батарей зависит от количества ионов лития, которое способен поглощать анод. Один атом кремния может связывать до 3,75 ионов лития, тогда как в графитовом аноде для удержания одного иона лития требуется шесть атомов углерода.

Предложенный командой USC Viterbi экономичный кремниевый анод демонстрирует стабильную емкость более 1100 мА•ч/г на протяжении 600 циклов эксплуатации, что делает его почти втрое эффективее и долговечнее типичного коммерческого анода.

Применению кремниевых анодов до последнего времени мешало разрушение материала из-за циклического увеличения и уменьшения объема в процессе работы батареи. Год назад эта проблема была решена использованием кремния в виде пористых нанопроводов. Но себестоимость таких электродов оказалась недопустимо высокой для коммерческого внедрения.

Впоследствии, опираясь на результаты предыдущих исследований, сотрудники USC Viterbi, разработали экономичный и эффективный метод получения пористых частиц кремния посредством гранулирования на шаровой мельнице и неоднородного химического травления (stain-etching). Эта технология является малозатратной и пригодна для задач массового производства.

Тот же коллектив добился успеха в совершенствовании перспективной катодной технологии для литий-серных батарей.

Серные катоды на порядок превосходят по емкости традиционные металлоксидные или фосфатные. Однако их практическому внедрению препятствовали плохая проводимость серы и низкая циклическая стабильность ее свойств — снижение емкости батареи с каждой перезарядкой. Исследование калифорнийских инженеров показало, что использование порошковой серы с покрытием из оксида графена может помочь решить обе эти проблемы.

Применив этот способ удалось поддерживать емкость катода на неизменно высоком уровне, 800 мА•ч/г, на протяжении 1000 циклов перезарядки батареи, что в пять раз превышает показатели коммерческих катодов.

Теперь, после успешного тестирования положительного и отрицательного электродов, исследователи намерены интегрировать кремниевый анод с серным катодом в единую конструкцию с целью максимального улучшения емкости и общей производительности литий-ионных батарей.