Литий-ионные аккумуляторы могут стать более ёмкими и долговечными

Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (подразделение молекулярных работ) при Министерстве энергетики США разработали литиевые аккумуляторы с новой конструкцией анода, демонстрирующие всемеро бόльшую ёмкость, а также более длительный жизненный цикл.

Литиевые батареи — энергетическая основа широчайшего спектра устройств, от смартфонов до электромобилей и гибридов. Но, как всякий знает, они далеки от совершенства: заряда хватает ненадолго, а срок службы не превышает 5–6 лет, так как при комнатной температуре безвозвратно теряется 20% ёмкости в год.

В попытке улучшить существующие литий-ионные батареи авторы рассматриваемого исследования изменили материал и конструкцию их электродов.

При незаряженном аккумуляторе кремниевые шарики в аноде сжаты и занимает лишь часть углеродной оболочки, а в заряженном состоянии увеличиваются и заполняют весь объём. (Здесь и ниже иллюстрации Nian Liu et al.)

В обычном литиевом аккумуляторе электроны перетекают через электролит от катода (например, LiCoO₂) к аноду, выполненному, как правило, из углерода. При зарядке батареи процесс идёт в обратном направлении.

В последние годы в качестве перспективного нового материал для электродов рассматривались наночастицы кремния, обладающего существенной способностью по удержанию ионов. Проблемой было то, что при накоплении ионов кремний существенно расширяется в геометрических размерах, что трудно совместить с сохранением работоспособности электрода: остальные материалы батареи в объёме не изменяются, что может привести к механическим повреждениям внутренностей аккумулятора.

Изображение электронного микроскопа показывает кремниевые частицы до капсулирования их углеродом (слева) и после (справа). На правом изображении хорошо виден зазор между кремнием и стенками углеродных сфер.

Чтобы избежать подобного, кремниевые наночастицы были «упакованы» в сферические оболочки из углерода, применяемого в литиевых батареях сегодня. При этом между кремнием и углеродом было оставлено расстояние, которое позволяло бы углеродным сферам не быть разорванными изнутри при расширении кремния.

Испытания аккумулятора с анодом, построенным по этому образцу, показали, что его ёмкость поднялась до 2 800 мА•ч, а жизнеспособность увеличилась до 1 000 циклов зарядки-разрядки при снижении ёмкости всего до 74% от изначальной. Таким образом, ёмкость повысилась семикратно по сравнению с существующими литиевыми накопителями, а жизненный цикл стал впятеро длиннее.

По словам разработчиков, процесс изготовления анода нового типа прост и легко масштабируем, что позволит без серьёзных проблем внедрить его в массовое производство.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nano Letters.

Подготовлено по материалам Phys.Org.