Углеродные нанотрубки предотвращают разрушение кремниевых электродов

Использование кремния может привести к гигантскому – 10 кратному – росту емкости аккумуляторных батарей, но также ставит перед конструкторами в 10 раз больше технологических проблем. Наиболее серьезная из них – распухание кремния (>300%) при разрядке батареи. Цикличность этого процесса в итоге приводит к отрыву кремния от электрода (так называемая пульверизация) и нарушению стабильности работы аккумулятора.

Сотрудники Университета Северной Каролины (NC State) опубликовали в онлайновом издании Advanced Materials статью об исследовании, демонстрирующем потенциальные возможности усовершенствования литий-ионных батарей с помощью тонких листовых анодов из одинаково ориентированных углеродных нанотрубок (CNT) с кремниевым покрытием.

Горизонтальные листы высоко упорядоченных CNT имеют пористую структуру и большую площадь поверхности, что облегчает нанесение однородной кремниевой пленки осаждением из паровой фазы, а также улучшает кинетику электрохимических процессов, протекающих между кремнием и электролитом в ходе эксплуатации. Подвергнутые испытаниям листы композита кремний-CNT продемонстрировали как высокую энергоемкость, так и устойчивость к многократным повторениям цикла зарядка-разрядка.

Эта работа также выявила интересный новый механизм деформации углеродных нанотрубок, покрытых кремнием, в условиях циклических электрохимических реакций. Прямые нанотрубки, при этом, сворачиваются в пружину: такое поведение проливает свет на причины электрохимической стабильности кристаллического кремния, нанесенного на поверхность CNT.

Результаты исследования создают предпосылки для дальнейшей работы по оптимизации новой наноархитектуры, роста плотности энергии и стабильности. Кроме того, данное решение может быть использовано с другими анодными и катодными материалами, находящими применение в тонких и гибких литий-ионных батареях.