Новый электрод из кремния поможет увеличить емкость литий-ионных аккумуляторов в 10 раз

Анод на основе кремниевых нанотрубок с двойными стенками, разработанный Йи Цуй и его коллегами, обладает повышенной прочностью
Команда ученых из Стэнфордского университета во главе преподавателем материаловедения и инжиниринга Йи Цуйем разработала новый электрод для литий-ионных аккумуляторов. С его помощью любая батарея будет способна сохранять 85% емкости после 6000 циклов заряда / разряда. Отметим, что современные литий-ионные батареи (которые помимо прочего используются в ноутбуках, планшетах и смартфонах), как правило, теряют работоспособность после 1000 циклов заряда / разряда. Новый электрод также позволяет добиться увеличения емкости литий-ионной батареи в целых 10 раз.

Напомним, что в литий-ионных аккумуляторах есть анод (отрицательный электрод) и катод (положительный), которые разделены жидким электролитом на основе соли лития. Емкость аккумулятора (миллиампер-час, мАч) напрямую зависит от всех трех элементов. В настоящее время почти в каждом литий-ионном аккумуляторе используется графитный (углерод) анод, который имеет ограниченную емкость - 400 мАч на грамм. Это означает, что анод должен быть достаточно большим, чтобы аккумулятор мог хранить приличное количество энергии. Команда Йи Цуйя успешно создала кремниевый анод на основе нанотрубок с двойными стенками, который имеет емкость около 4000 мАч на грамм. Другими словами, благодаря этому аноду емкость литий-ионных батарей теоретически можно поднять в 10 раз.

Ученые не так давно определили, что из кремния получаются более эффективные аноды, чем из графита. Один атом кремния может связать до четырех ионов лития, в то время, как для связывания одного иона лития нужно шесть атомов графита. Иными словами, это приводит к повышению плотности энерговыделения. Но до сих пор специалистам не удавалось создать кремневые аноды, которые могли бы выдержать несколько полноценных циклов заряда / разряда. Во время зарядки кремний может поглотить столько ионов лития, что анод увеличивается практически в четыре раза по сравнению с первоначальным размером. Во время разряда ионы лития движутся к катоду, и анод возвращается к своему первоначальному размеру. После нескольких циклов такого расширения / сжатия анод из кремния разрушается.

Анод на основе кремниевых нанотрубок с двойными стенками, разработанный Йи Цуй и его коллегами, обладает повышенной прочностью. Нанотрубки покрыты тонким слоем оксида кремния, который является достаточно прочным, чтобы мешать их расширению. В результате новый анод может выдержать 6000 циклов заряда / разряда без значительных повреждений.

Следующим логическим шагом будет упрощение производства этих нанотрубок - в настоящее время они создаются в четыре этапа. Ученые используют в качестве сырья полимерные нановолокна, которые затем восстанавливаются до углерода, далее они покрываются кремнием (на фото). В итоге ученые создают рабочий аккумулятор, который позволяет удвоить плотность энергии по сравнению с современными литий-ионными батареями. Этот результат может показаться скромным, но кремниевые аноды в перспективе могут увеличить емкость батарей в 10 раз.

Подготовлено по материалам ExtremeTech
16.05.2012 15:46