Электрод, выполненный в виде граната, с кремниевыми наночастицами, сгруппированными, как семена, в прочной углеродной корке, преодолевает несколько остающихся препятствий на пути использования кремния для нового поколения литий-ионных аккумуляторов, говорят его изобретатели из Стэнфордского университета и Департамента. Национальной ускорительной лаборатории SLAC компании Energy.
«Несмотря на то, что остается несколько проблем, эта конструкция приближает нас к использованию кремниевых анодов в небольших, легких и более мощных батареях для таких продуктов, как сотовые телефоны, планшеты и электромобили», - сказал Йи Цуй, доцент Стэнфорд и SLAC, руководившие исследованием, сообщили сегодня в Nature Nanotechnology.
"Эксперименты показали, что наш анод, вдохновленный гранатом, работает с 97-процентной емкостью даже после 1000 циклов зарядки и разрядки, что вполне соответствует желаемому диапазону для коммерческой эксплуатации."
Анод или отрицательный электрод - это место, где сохраняется энергия при зарядке аккумулятора. Кремниевые аноды могут хранить в 10 раз больше заряда, чем графитовые аноды в современных перезаряжаемых литий-ионных батареях, но они также имеют серьезные недостатки: хрупкий кремний набухает и распадается во время зарядки батареи, и он реагирует с электролитом батареи, образуя грязь, которая покрывает анод и ухудшает его характеристики.
За последние восемь лет команда Цюя решила проблему поломки, используя кремниевые нанопроволоки или наночастицы, которые слишком малы, чтобы разбиться на еще более мелкие кусочки, и заключая наночастицы в углеродные «оболочки из желтка», которые дают им возможность набухать. и сжиматься во время зарядки.
Новое исследование основано на этой работе. Аспирант Нянь Лю и научный сотрудник Женда Лу использовали метод микроэмульсии, распространенный в масляной, лакокрасочной и косметической промышленности, чтобы собрать оболочки кремниевого желтка в кластеры и покрыть каждый кластер вторым, более толстым слоем углерода. Эти углеродные корки скрепляют гроздья граната и обеспечивают прочную магистраль для электрических токов.
А так как площадь каждой грозди граната составляет всего одну десятую площади поверхности отдельных частиц внутри нее, гораздо меньшая площадь подвергается воздействию электролита, тем самым уменьшая количество образующейся грязи до управляемого уровня.
Хотя кластеры слишком малы, чтобы их можно было увидеть по отдельности, вместе они образуют мелкий черный порошок, который можно использовать для покрытия куска фольги и формирования анода. Лабораторные испытания показали, что гранатовые аноды работают хорошо, если их толщина соответствует требованиям коммерческих аккумуляторов.
Хотя эти эксперименты показывают, что метод работает, сказал Цуй, команде придется решить еще две проблемы, чтобы сделать его жизнеспособным в коммерческих масштабах: им нужно упростить процесс и найти более дешевый источник кремниевых наночастиц. Одним из возможных источников является рисовая шелуха: она непригодна для употребления в пищу человеком, производится миллионами тонн и содержит 20 процентов диоксида кремния по весу. По словам Лю, их можно относительно легко преобразовать в наночастицы чистого кремния, как его команда недавно описала в Scientific Reports.
«Мне очень интересно видеть, какого прогресса мы достигли за последние семь или восемь лет, - сказал Цуй, - и как мы решали проблемы одну за другой».