Литиевые аккумуляторы станут более эффективными.

Руководитель исследования Джунвэй Чен

Благодаря разработчикам из Университета Ватерлоо, литиевые аккумуляторы могут стать легче, меньше и более долговечными. Это стало возможным благодаря инновационному аноду, выполненному из кремния, вместо графита, из которого изготовляется отрицательный электрод в современных источниках энергии на основе лития. Именно потому, что анод из графита имеет недостатки, мешающие увеличить эффективность аккумуляторов, ученые стараются найти лучший материал или комбинацию материалов для изготовления компонентов литиевого аккумулятора.

Как известно, плотность запасенной в графите энергии относительно невысока – около 370 мАч/г, в то время как плотность энергии, запасенной кремнием, более чем в 10 раз превышает этот показатель – 4200 мАч\г. Возникает вопрос – почему же производители современных элементов питания до сих пор не заменили графитовый анод на кремниевый? Дело в том, что и с кремнием не все так просто. Во время зарядки аккумулятора, кремний, взаимодействуя с литием, расширяется до 300%, а во время работы (разрядки) – вновь сужается.

В результате таких изменений, появляются трещины, элемент легко деформируется (может быть нарушена целостность защитного корпуса), и даже если он не выйдет полностью из строя от короткого замыкания, что чаще всего случалось при испытаниях – его производительность сильно упадет. Недавно, другая исследовательская группа из Стэнфордского университета частично решила эту проблему, создав на нано-уровне кремниевый пористый электрод, состоящий из смеси кремниевых, углеродных и графеновых нанотрубок, длиной в несколько микрон, увеличив показатели плотности заряда литиевого аккумулятора в несколько раз. Правда, ученые столкнулись с другой проблемой – элемент с каждым циклом заряда/разряда теряет значительный процент емкости (низкая кулоновская эффективность).

Ученые из Ватерлоо разработали способ изменения структуры кремниевого электрода для литиевых аккумуляторов с помощью химической реакции, в которой участвуют легированный серой графен, наночастицы кремния и циклический полиакрилонитрил (вещество, часто применяемое в производстве хирургических перчаток). В результате реакции, ученые получили то, что впоследствии назвали наноархитектурой.

Испытания элемента с электродом, созданным по новой технологии, показали возросшие многократно характеристики, при том, что удалось значительно уменьшить степень расширения/сжатия электрода и тем самым добиться большей стабильности в работе батареи. Емкость (плотность заряда) и количество циклов увеличились в несколько раз, по сравнению с литиевым аккумулятором, анод которого выполнен из графита: 1000 мАч/г против 350 мАч/г, и 2275 циклов заряда/разряда против 500.

Кулоновская эффективность сборки составила 99,9%, значит батарея на основе таких элементов будет сохранять свои свойства достаточно большое количество циклов. Исследователи говорят, что новая технология позволит увеличить плотность заряда в литиевых аккумуляторах на 40-60 процентов. Аккумуляторы с кремниевым электродом, созданным по наноархитектуре, не будут дороже современных батарей с анодом из графита, ведь процесс наноархитектуры не несет больших затрат по энергии и ресурсам. Технология определенно будет дорабатываться до коммерциализации, ведь такие литиевые батареи позволят значительно увеличить запас хода электротранспорта.