Вдохновившись строением граната, группа международных экспертов создала новый электрод для аккумуляторов, который устраняет существующие недостатки литий-ионных батарей.
Исследователи из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики США создали новый электрод для аккумулятора, в котором наночастицы кремния собраны в кластеры, напоминающие зёрна граната, в проводящем углеродном слое. Такая структура может помочь эффективно использовать кремний в литий-ионных аккумуляторах нового поколения.
Анод (отрицательный электрод) накапливает энергию при зарядке аккумулятора. Кремниевые аноды способны накапливать в 10 раз больше энергии по сравнению с графитовыми анодами в литий-ионных аккумуляторах.
Однако у этих аккумуляторов есть ряд недостатков, в том числе структурная деградация и нестабильность. Хрупкий кремний расширяется и разрушается во время зарядки, вступая в реакцию с электролитом аккумулятора и образуя осадок на аноде.
Исследовательская группа под руководством И Цуй, доцента Стэнфордского университета и Лаборатории реактивного движения, преодолела эти трудности, используя кремниевые нанопроволоки и чрезвычайно мелкие частицы, которые можно даже разделить на мелкие фрагменты. Затем исследователи покрыли наночастицы углеродными «оболочками», которые обеспечивают достаточное пространство для расширения и сжатия в процессе зарядки.
«Несмотря на то, что остается еще несколько нерешенных проблем, эта конструкция приближает нас к использованию кремниевых анодов в более компактных, легких и мощных аккумуляторах для таких устройств, как сотовые телефоны, планшеты и электромобили, — говорит Цуй. — Эксперименты показали, что наш анод на основе граната сохраняет 97 % емкости даже после 1000 циклов зарядки и разрядки, что вполне соответствует требованиям для коммерческого использования. »
Чтобы объединить кремниевые «желтки» в кластеры, аспирант Ниан Лю и научный сотрудник Чжэнда Лу использовали метод микроэмульсии, который обычно применяется в производстве масла, красок и косметики.
Сгруппировав кремниевые «желтки» в кластеры, специалисты покрыли каждый кластер еще одним толстым слоем углерода. Эта углеродная оболочка скрепляет структуры, напоминающие по форме гранат, и обеспечивает беспрепятственное прохождение тока.
Кроме того, электролиту подвергается лишь небольшая часть поверхности. Внутри находится примерно десятая часть площади каждой гранатовой грозди. Это снижает образование гноя.
Кластеры настолько малы, что их сложно различить по отдельности. Они выглядят как мелкий черный порошок, который можно нанести на кусок фольги, а затем превратить в анод.
Лабораторные испытания показали, что аноды из граната работают исключительно хорошо, если их толщина соответствует требованиям, предъявляемым к промышленным батареям.
Чтобы сделать новую разработку жизнеспособной в коммерческом плане, ученым нужно решить еще две задачи: упростить процесс и найти более дешевый источник наночастиц кремния. Они обратили внимание на «рисовую шелуху», непригодную для употребления в пищу, которую можно легко превратить в наночастицы чистого кремния.
«Мне очень приятно видеть, какого прогресса мы добились за последние семь-восемь лет, — сказал Цуй, — и как мы решали проблемы одну за другой».
По словам изобретателей, эта новая конструкция позволяет создавать более компактные и легкие аккумуляторы для электромобилей, мобильных телефонов и других устройств.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.