Кремний спасет литий-ионные аккумуляторы

Портативные электронные устройства для своей работы требуют использования источника электроэнергии, и наиболее часто эта роль отводится литий-ионным аккумуляторным батареям, прописавшимся в таких устройствах, как цифровые камеры, мобильные телефоны, мультимедийные плееры, мобильные компьютеры и пр. Недостаток этих источников питания широкого известен – недостаточно высокая энергоемкость, не позволяющая устройствам работать в автономном режиме в течение длительного временного промежутка. Разумеется, исследовательские лаборатории не первый год заняты разработкой альтернативных источников энергии, среди которых наибольшие шансы на коммерческий успех имеют топливные элементы, но на рынке подобные устройства все никак не появляются. А значит, существенных подвижек пока стоит ожидать от разработчиков, трудящихся над модернизацией конструкции привычных сегодня аккумуляторов, тем более, что определенных успехов инженеры добились.

Последним достижением исследователей стало заметное улучшение характеристик литий-ионных аккумуляторов за счет оптимизации конструкции анода батарей. В подобных устройствах зачастую в качестве анода используется графит, основным преимуществом которого является низкое изменение объема при «миграции» ионов. Однако существенным недостатком такого подхода является невысокое количество циклов заряда и невысокая энергоемкость.

В попытках преодолеть указанные трудности исследователи давно обратили свое внимание на кремний – материал, который позволяет улучшить характеристики аккумуляторных батарей. Но здесь перед инженерами встает новая задача, а именно, значительный объемный рост анода в случае миграции ионов к нему, а также быстрая потеря заряда, что не позволяло создавать устройства, удовлетворяющие современным требованиям, предъявляемым к аккумуляторным батареям.

Как оказалось, проблема имеет свое решение, и весьма изящное – исследователи Стэнфордского Университета показали, что от указанных недостатков можно избавиться путем формирования наноструктур, состоящих из кремниевых нитей, центр которых изготовлен из кристаллического кремния, а внешняя оболочка – из аморфного кремния. Именно аморфный кремний в данном случае отвечает за хранение заряда (ионов лития), тогда как кристаллический кремний является каркасом подобной структуры и эффективным проводником электронов.

Сегодня подобные структуры широко используются в микроэлектронных устройствах, например, в солнечных батареях, а вот свое применение в аккумуляторах аморфный кремний нашел впервые. Тем не менее, перспективы у такого подхода весьма оптимистичные: емкость устройств, по сравнению с углеродным анодом, может быть повышена сразу втрое; деградация аккумуляторов также более чем приемлема – после сотни циклов заряда емкость батареи снижается лишь на 10%. Еще одним существенным плюсом должна стать высочайшая скорость процесса заряда аккумуляторов – на полное восстановление батареи будет уходить всего лишь семь минут.

Таким образом, найдено направление дальнейшей модернизации литий-ионных аккумуляторов, но сможет ли достижение сотрудников Стэнфордского Университета найти дорогу на мировой рынок – пока сказать практически невозможно. Многое будет зависеть от разработки технологии изготовления аккумуляторов нового поколения, скорости миграции на нее ведущих производителей, а также, стоимости подобного апгрейда. Впрочем, разработчики топливных элементов еще более оптимистичны в своих заявлениях, а прихода подобных устройств на рынок общественность ожидает уже не один год.