Один из способов, которым ученые надеются повысить производительность современных литий-ионных аккумуляторов, — это включить в конструкцию кремний, который может увеличить их емкость в 10 раз. Исследовательская группа в Японии придумала способ сделать это, чтобы преодолеть проблемы с долговечностью, которые до сих пор мешали этому направлению.
С помощью кремниевых наноструктур ученые почти на порядок увеличили емкость обычных батареек
Современные литий-ионные батареи состоят из пары электродов и раствора электролита, позволяющего переносить между ними ионы лития. При этом один из этих электродов, называемый анодом, изготовлен из графита. Сочетание дешевизны и простоты изготовления хорошо послужило этим устройствам и привело к их применению во всех сферах, от смартфонов до ноутбуков и электромобилей. Однако ученые считают, что потенциал подобной системы еще выше.
«Когда батарея заряжается, ионы лития вынуждены перемещаться с одной стороны батареи — катода — через раствор электролита на другую сторону батареи — анод», — поясняет д-р Марта Харо, ведущий автор нового исследования. «Затем, по мере использования батареи, ионы лития перемещаются обратно в катод, высвобождая электрический ток. Но в графитовых анодах для хранения одного иона лития необходимо шесть атомов углерода, поэтому удельная энергия этих батарей невысока».
Между тем использование кремния вместо графита может значительно повысить плотность энергии, поскольку каждый атом кремния может связываться с четырьмя ионами лития. Но усилия по достижению этого до сих пор наталкивались на проблемы со стабильностью, поскольку кремний не обладает такой же прочностью, как графит, имеет тенденцию расширяться, сжиматься и разламываться при включении батареи.
«Кремниевые аноды могут хранить в 10 раз больше заряда в заданном объеме, чем графитовые аноды. Проблема в том, что по мере того, как ионы лития перемещаются в анод, изменение объема очень велико, примерно до 400%, что приводит к разрушению и поломке электрода», — пишут ученые.
Харо и группа исследователей из Окинавского института науки и технологий аспирантуры (OIST) изучают технологию, в которой используется структура, похожая на торт, со слоями кремния, помещенными между металлическими наночастицами. Команда экспериментировала со слоями кремния разной толщины и нашла золотую середину, придающую материалу очень полезные свойства.
«Материал постепенно становился жестче, но затем жесткость быстро уменьшалась при дальнейшем увеличении толщины кремниевого слоя», — рассказал еще один автор исследования, Тео Булумис. «На тот момент мы не знали фундаментальной причины того, почему это происходит».
При более внимательном рассмотрении выяснилось, что когда атомы кремния осаждаются на металлических наночастицах, они образуют крошечные столбики в форме перевернутых конусов. Это означает, что по мере осаждения большего количества атомов кремния и роста столбцов они становятся достаточно широкими, чтобы соприкасаться друг с другом и образовывать дугообразную структуру нанометрового размера.
Когда эти колонны стоят сами по себе, они шатаются и не могут придать аноду никакой прочности или устойчивости, но если они вырастают слишком высокими, это создает губчатую структуру с дырочками. Таким образом, в этом месте кремниевые дуги обеспечивают анод структурным усилением, в котором он нуждается, и испытания показали, что полученная батарея имеет повышенную емкость заряда и способна выдерживать большее количество циклов зарядки.
Хотя это является хорошим предзнаменованием для будущего кремниевых анодов в литиевых батареях, исследователи видят потенциал своих новых аркообразных наноструктур для использования в других областях материаловедения.
«Сводчатая конструкция может быть использована, когда требуются материалы, которые являются прочными и способны выдерживать различные нагрузки, например, для биоимплантатов или для хранения водорода. Точный тип материала, который вам нужен — более прочный или мягкий, более гибкий или менее гибкий — можно изготовить, просто изменив толщину слоя. В этом прелесть наноструктур», — пишут они.
