Открытие «мёртвых зон» позволит решить проблему нестабильности кремниевых анодов

Интеграция кремния в литий-ионные батареи в качестве анодного компонента вместо графита, используемого сейчас, может увеличить энергоёмкость в 10 раз. Однако при зарядке и разрядке кремниевый анод циклически разбухает, что быстро ухудшает способность аккумулятора удерживать заряд.

Новое понимание причин, по которым кремниевые аноды быстро выходят из строя, изложили в недавнем выпуске журнала Nature Nanotechnology ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (штат Вашингтон). Выводы, сделанные ими благодаря наблюдению этого процесса в беспрецедентных деталях, могут помочь в улучшении стабильности таких устройств.

В ходе циклической эксплуатации батареи, ионы лития перемещаются между анодом и катодом через жидкий электролит. Проникая в кремниевый анод, они расталкивают атомы кремния, что приводит к разбуханию анода в три-четыре раза. Покидая анод, ионы лития оставляют за собой созданные пустоты.

С помощью модифицированного трансмиссионного электронного микроскопа исследователи обнаружили, что эти вакансии от исходящих ионов лития эволюционируют во всё большие и большие промежутки. Затем в них проникает жидкий электролит, который искажает ключевую краевую структуру анода, интерфазу твёрдого электролита: она проникает в анод и образуется там, где не должна быть. Конечным итогом является создание «мертвых зон», препятствующих нормальному функционированию анода.

По наблюдениям авторов, этот процесс начинался уже после первого цикла работы батареи, к 36 циклам её способность удерживать заряд существенно снижалась, а после 100 циклов анод разрушался.

«Очевидно, что для решения проблемы необходимо сформировать твёрдую оболочку, изолирующую кремний от жидкого электролита, — подводит итог соавтор статьи Чунминь Ван (Chongmin Wang). — Для этого есть два способа. Одним является «самопроизвольное» формирование твёрдой оболочки на кремнии при начале работы батареи, что требует соответствующей настройки состава жидкого электролита... Кроме того можно сразу нанести слой умного покрытия на кремний, изолируя его от контакта с жидким электролитом».

Открывшим эти многообещающие новые пути исследователям теперь необходимо найти такой материал «покрытия» для кремния, который отвечал бы критериям как ионной, так и электронной проводимости, а также обладал высокой механической стойкостью.