Ученые смогли увеличить срок эксплуатации аккумулятора с кремниевым анодом: спустя 1 тыс. циклов перезарядки он сохранил 97% емкости.
Ученым из Стэнфордского университета и лаборатории SLAC National Accelerator при Министерстве энергетики США удалось решить проблему быстрой деградации анодов из кремния — перспективного материала, который позволяет хранить в батарее в 10 раз больше заряда в сравнении с графитовым анодом.
Исследователи давно пытались создать надежный кремниевый электрод с длительным сроком действия. Во время зарядки и разрядки кремниевый анод расширяется и сужается, а в результате своей хрупкости быстро трескается и разламывается. Для решения проблемы ученые решили попробовать создать анод из настолько малых частиц кремния, чтобы им уже не на что было разламываться. Помимо этого, они поместили эти наночастицы в углеродную оболочку большего размера в сравнении с самой частицей, таким образом предоставив им пространство для расширения, которое происходит во время зарядки. Используя специальную микроэмульсию, ученые собрали микрочастицы с оболочкой в группы и поместили их в еще одну, более толстую «скорлупу» из углерода.
Таким образом получилась структура, которая по своему строению напоминает гранат. Каждая батарея содержит множество таких «гранатов». «Такая структура обеспечивает свободное протекание электрического тока», — пояснили исследователи.
Также в результате экспериментов удалось выяснить, что аккумулятор с «гранатной» структурой обладает более длинным по сравнению с предыдущими аналогичными проектами жизненным циклом: он сохраняет 97% емкости спустя 1 тыс. циклов перезарядки. А это делает элемент пригодным для коммерческой эксплуатации.
Кроме того, новая структура помогла решить и еще одну проблему. Во время эксплуатации батареи с кремниевым анодом в результате реакции с электролитом на электроде образуется клейкая субстанция, снижающая производительность. В «гранатной» структуре площадь соприкосновения частиц с электролитом в 10 раз меньше. Так что субстанции образуется гораздо меньше.
Правда, по словам руководителя проекта Йи Куи, несмотря на значительный прогресс, о выводе новых батарей на коммерческий рынок говорить пока рано. Для этого необходимо решить еще две важные проблемы: нужно упростить процесс производства описанных анодов и найти дешевый источник кремниевых наночастиц. Одним из таких источников может быть рисовая шелуха, не используемая в пищевой промышленности и на 20% состоящая из диоксида кремния. По словам Куи, ее достаточно легко превратить в чистые кремниевые наночастицы, которые будут пригодны для батарей.
