Нові батареї показують чудеса довговічності і ємності

Вот вже протягом більше ніж 10 років, вчені намагаються поліпшити батареї на основі літію, замінивши графіт одного з терміналів на кремній, що дозволяє зберігати в 10 разів більше енергії. Але проблема полягала в тому, що вже через кілька циклів зарядки / розрядки, кремнієва структура починає тріскатися і кришитися, і батарея руйнується.

Команда, яку очолює матеріалознавець Йі Кьюй зі Стенфорда, змогла виявити рішення: майстерно спроектована двухстеночная наноструктура дозволяє новій батареї зберігати свої властивості протягом більше 6000 циклів, що набагато перевершує потреби індустріі електричних автомобілей або мобільної електроніки. При заряді разів на день, термін служби складе 16 років.

"Це дуже позитивне досягнення на шляху до нашої мети, яка полягає у створенні більш компактних, легких і довговічних батарей", - сказав Кьюй. Результати були опубліковані в журналі Nature Nanotechnology.

Літій-іонні батареї широко застосовуються в якості джерела енергії для електромобілів і портатівной електронікі, оскільки зберігають відносно велику кількість енергії і відносно компактні. Принцип роботи цієї батареї заснований на перетіканні іонів літію через рідкі електроліти між двома терміналами під назвою анод і катод.

Учение вже давно намагаються створити батарею, в якій анод складається з кремнію. Перевага такого рішення полягає в тому, яким чином іони літію зв'язуються з кремнієм при заряді. До 4 іонів літію приєднуються до кожного атому кремнієвого анода - для порівняння, всього один атом літію зв'язується з шістьма атомами вуглецю в застосовуваному сьогодні графітовому аноді. Цим обумовлено збільшення ємності батареї.

Однако, це веде до збільшення анода в чотири рази від його початкового об'єму. Більше того, деякі електроліти вступають в реакцію з кремнієм, покриваючи його і не даючи провести зарядку. Коли літій випливає з анода при розрядці, то анод стискається до своїх початкових розмірів і покриття тріскається, оголюючи свіжий кремнію для електролітів.

Всего за кілька циклів, таке розширення і стиснення в поєднанні з атакою електролітів, знищує анод в ході процесу під назвою "декрепітація".

В протягом попередніх п'яти років, група Кьюй поступово збільшувала довговічність кремнієвих анодів, зробивши їх з нанопроводов, а потім з порожнистих кремніевих наночастіц. Їх новий зразок складається з двустеночной кремнієвої нанотрубки, покритої тонким шаром оксиду кремнію - дуже міцного керамічного матеріалу.

Етот міцний зовнішній шар утримує зовнішню стінку нанотрубки від розширення, так що вона залишається неушкодженою. Замість розширення зовні, кремній благополучно заповнює порожні нутрощі між двома стінками, розміри яких занадто малі для потрапляння молекул електроліту. Після 6000 циклів він зберігає 85 відсотків початкової ємності.

Кьюй розповів, що подальші дослідження будуть націлені на спрощення процесу створення двостінних кремнієвих нанотрубок. Частина його групи працює над розробкою нового високоефективного катода, який складе пару новому анода у формі батареї, ємність якої буде в п'ять разів перевищувати сучасні зразки літій-іонних батарей.

В 2008 Кьюй заснував компанію Amprius, яка володіє правами на патенти Стенфорда на розроблені ним кремнієві нанопроводние аноди.

Орігінал (на англ. мовою): Phys.org

• IBM ускоряет обучение ИИ на скорости света при минимальном энергопотреблении
• Учёные впервые визуализировали форму одиночного фотона
• Солнечная система для зарядки электромобилей
• Крупнейший электрический самолёт взлетит в 2025 году
• ДНК-биочернила открывают новые горизонты для 3D-печати кровеносных сосудов
• Исследователи улучшили эффективность и долговечность солнечных элементов
• Тёмная материя: Как камера отслеживает невидимое
• Мягкий, растяжимый электрод имитирует тактильные ощущения с помощью электрических сигналов