Новые батареи показывают чудеса долговечности и емкости

Вот уже на протяжении более чем 10 лет, ученые пытаются улучшить батареи на основе лития, заменив графит одного из терминалов на кремний, что позволяет хранить в 10 раз больше энергии. Но проблема заключалась в том, что уже через несколько циклов зарядки/разрядки, кремниевая структура начинает трескаться и крошиться, и батарея разрушается.

Команда, которую возглавляет материаловед Йи Кьюй из Стэнфорда, смогла обнаружить решение: искусно спроектированная двухстеночная наноструктура позволяет новой батарее сохранять свои свойства на протяжении более 6000 циклов, что намного превосходит потребности индустрии электрических автомобилей или мобильной электроники. При заряде раз в день, срок службы составит 16 лет.

"Это весьма положительное достижение на пути к нашей цели, которая заключается в создании более компактных, легких и долговечных батарей", - сказал Кьюй. Результаты были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

Литий-ионные батареи широко применяются в качестве источника энергии для электромобилей и портативной электроники, поскольку хранят относительно большое количество энергии и относительно компактны. Принцип работы этой батареи основан на перетекании ионов лития через жидкие электролиты между двумя терминалами под названием анод и катод.

Ученые уже давно пытаются создать батарею, в которой анод состоит из кремния. Преимущество такого решения заключается в том, каким образом ионы лития связываются с кремнием при заряде. До 4 ионов лития присоединяются к каждому атому кремниевого анода - для сравнения, всего один атом лития связывается с шестью атомами углерода в применяемом сегодня графитовом аноде. Этим обусловлено увеличение емкости батареи.

Однако, это ведет к увеличению анода в четыре раза от его первоначального объема. Более того, некоторые электролиты вступают в реакцию с кремнием, покрывая его и не давая произвести зарядку. Когда литий вытекает из анода при разрядке, то анод сжимается до своих первоначальных размеров и покрытие трескается, обнажая свежий кремния для электролитов.

Всего за несколько циклов, такое расширение и сжатие в сочетании с атакой электролитов, уничтожает анод в ходе процесса под названием "декрепитация".

В течение предыдущих пяти лет, группа Кьюй постепенно увеличивала долговечность кремниевых анодов, сделав их из нанопроводов, а затем из полых кремниевых наночастиц. Их новый образец состоит из двустеночной кремниевой нанотрубки, покрытой тонким слоем оксида кремния - очень крепкого керамического материала.

Этот крепкий внешний слой удерживает внешнюю стенку нанотрубки от расширения, так что она остается невредимой. Вместо расширения вовне, кремний благополучно заполняет полые внутренности между двумя стенками, размеры которых слишком малы для попадания молекул электролита. После 6000 циклов он сохраняет 85 процентов первоначальной емкости.

Кьюй рассказал, что дальнейшие исследования будут нацелены на упрощение процесса создания двустенных кремниевых нанотрубок. Часть его группы работает над разработкой нового высокоэффективного катода, который составит пару новому аноду в форме батареи, емкость которой будет в пять раз превышать современные образцы литий-ионных батарей.

В 2008 году Кьюй основал компанию Amprius, которая обладает правами на патенты Стэнфорда на разработанные им кремниевые нанопроводные аноды.

Оригинал (на англ. языке): Phys.org

• Исследователи улучшили эффективность и долговечность солнечных элементов
• Тёмная материя: Как камера отслеживает невидимое
• Мягкий, растяжимый электрод имитирует тактильные ощущения с помощью электрических сигналов
• Новая и улучшенная камера, вдохновленная человеческим глазом
• Машинное обучение может помочь ответить на давние астрофизические вопросы
• Ученые связывают износ двигателей самолетов с попаданием пыли в крупных аэропортах
• Цемент, вдохновленный раковинами, стал в 19 раз гибче благодаря «спроектированным дефектам»
• Самый длинный в Северной Америке вантовый мост соединяет США и Канаду