Исследователи из Университета Калифорнии разработали кремниевый анод, который позволил бы заряжать литий-ионные батареи в 16 раз быстрее, чем это возможно в настоящее время. Новая разработка базируется на трехмерном, конусообразном кластере углеродных нанотрубок, что, в свою очередь, может привести к созданию батарей, которые держат заряд на 60% дольше и весят на 40% меньше.
Так как Li-ion батареи получили широкое распространение в современных технологиях, многие исследования направлены на улучшение их работы, в частности, на поиск «совершенных»электродных материалов. Так, в аккумуляторных батареях большинства электронных устройств, анод изготовлен из графитового углерода, имеющего удельную ёмкость около 370 мАч/г (миллиампер часов на грамм).
Аноды, изготовленные из углеродных нанотрубок, могут улучшить свою производительность почти в три раза, достигая ёмкости до 1000 мАч/г. Однако, исследователи полагают, что переход от углерода к кремнию имеет большие перспективы.
Кремний может быть идеальным материалом для анода в литий-ионных батареях, поскольку он имеет удельную ёмкость 4200 мАч\г, что в 10 раз больше, чем графитовый углерод. Замена анода в стандартном Li-ion аккумуляторе на кремниевый приведёт к ячейке с более высокой ёмкостью (на 63%) и с меньшим весом (на 40%). Тем не менее, не так просто заставить кремниевый анод работать внутри литий-ионной аккумуляторной батареи. По мере того, как кремний взаимодействует с литием внутри ячейки, она неоднократно расширяется до 400%, а затем сжимается до первоначального размера. Это приводит к образованию трещин и,в конечном итоге, к сбою работы батареи.
В настоящее время, исследователи из Университета Калифорнии разработали новую архитектуру для кремниевого анода, которая решает проблему крекинга (трещинообразования). Это приведёт к созданию не только более мощных и легких аккумуляторных батарей, но и заряжающихся, по мнению исследователей, в 16 раз быстрее.
Для того, чтобы создать анод, учёные впервые взяли графеновую фольгу (которая обычно служит в качестве токоприемника для анода в аккумуляторной батарее) и вырастили наноструктуры столбовидных углеродных нанотрубок на её вершине. Затем они применили мягкую, индуктивно связанную плазму, которая превратила нанотрубки в конусообразные кластеры. Это привело к отложению аморфного кремния.
Исследователи считают, что тесная связь между графеновым покрытием медной фольги и углеродными нанотрубками значительно улучшает контакт между активным материалом и токоприемником, что позволяет передавать тепло и заряд гораздо быстрее, чем обычно. Конусообразные наностолбы также обеспечивают электролиту более быстрый доступ к электроду, что, в свою очередь, повышает производительность.
Литий-ионные аккумуляторные батареи, созданные с использованием нового анода, показали большую стабильность в работе даже при очень высоких скоростях зарядки и разрядки. Аноды добились впечатляющей емкости 1954 мАч/г (в пять раз больше обычных анодов) и сохранили ёмкость 1200 мАч/г после 230 циклов зарядки и разрядки.
Если наладить массовое производство подобных батарей, это позволит нам заряжать смартфоны и электрические автомобили за считанные минуты, а не часы.
Комментарии