Новый кремниевый анод позволит заряжать литий-ионные батареи за минуты

Научные сотрудники Калифорнийского университета в Риверсайде разработали кремниевый анод, который позволит заряжать литий-ионные батареи в 16 раз быстрее, чем это возможно сейчас. Новая структура этого анода состоит из трехмерных конических скоплений углеродных нанотрубок. Их использование, как отмечают ученые, позволяют батареям держать на 60 процентов больше заряда и при этом быть на 40 процентов легче, чем те батареи, которые используются сейчас.

Так как самым распространенным типом батарей являются именно литий-ионные, множество исследователей стараются найти способы повышения их эффективности. И немаловажной ролью в повышении этой эффективности является поиск «идеальных» электродных материалов. В коммерческих батареях анод производится из графитовой модификации углерода с емкостью около 370 мАч/г (миллиампер-часов на грамм). В свою очередь, емкость анода из углеродных нанотрубок практически в три раза выше и составляет около 1000 мАч/г. Однако ученые считают, что отказ от углерода при производстве анодов может оказаться еще перспективнее.

Кремний может стать новым идеальным материалом для производства анодов для литий-ионных батарей, так как их емкость может составлять аж 4200 мАч/г, что более чем в 10 раз выше, чем у тех батарей, которые сейчас находятся в продаже. Замена анода в стандартной литий-ионной батарее на кремниевый анод позволяет увеличить емкость ячеек батареи на 63 процента и при этом снизить на 40 процентов их вес. Однако заставить кремниевый анод работать внутри литий-ионной батареи не так уж и просто. Когда кремний начинает взаимодействовать с литием внутри ячейки, он может неоднократно расширяться до 400 процентов, а затем сужаться до своего первоначального состояния. Это приводит к разрушению анода и, как следствие, — выходу батареи из строя.

Тем не менее ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде создали новую архитектуру для кремниевого анода литий-ионной батареи, которая позволяет избавиться от проблемы деградации. Все это позволяет не только создавать более легкие и емкие батареи, но и заряжать их гораздо скорее — до 16 раз быстрее, по сравнению с обычными.

Трехэтапный процесс создания конических углеродных пучков анода

Для создания такого анода ученые сначала взяли графеновую пленку (которая обычно служит токосборником для анодов в коммерческих батареях) и вырастили на ней наноскопические связки нанотрубок. Затем ученые подвергли эти связки воздействию индуктивно-связанной плазмы, которая превратила нанотрубки в связки конической формы. После этого сваренные пучки покрыли аморфным кремнием.

Исследователи считают, что плотная связь между покрытой графеном медной пленкой и углеродными нанотрубками существенно улучшают контакт между активным материалом и токосборником, что позволяет одновременно передавать тепло и заряд намного быстрее, чем обычно, и соответственно увеличить эффективность.

Литий-ионные батареи с использованием нового анода показали отличную стабильность и скорость при множественных циклах зарядки-разрядки. Аноды смогли достигнуть весьма впечатляющих емкостей в 1954 мАч/г (что в пять раз выше, чем у обычных анодов) и сохранить емкость на уровне 1200 мАч/г при 100-процентном заряде после 230 циклов перезарядки.

Если такие батареи поступят в массовое производство, то однажды они позволят нам заряжать наши смартфоны и электромобили в течение нескольких минут, а не часов, как сейчас.