Мощные портативные перезаряжаемые литий-ионные батареи являются важнейшими компонентами современных технологий, используемых в смартфонах, ноутбуках и электромобилях. В 2019 году их потенциал революционизировать то, как мы храним и потребляем электроэнергию в будущем, по мере того, как мы отказываемся от ископаемого топлива, был особенно признан, и Нобелевская премия была присуждена новому члену Совета управляющих OIST доктору. Акира Ёшино за его работу по разработке литий-ионной батареи.
Традиционно графит используется для анода литий-ионной батареи, но этот углеродный материал имеет серьезные ограничения.
«Когда батарея заряжается, ионы лития вынуждены перемещаться с одной стороны батареи – катода – через раствор электролита на другую сторону батареи – анод. Затем, когда используется батарея, ионы лития перемещаются обратно в катод, и из батареи высвобождается электрический ток », – пояснил доктор. Марта Аро, бывший научный сотрудник OIST и первый автор исследования. «Но в графитовых анодах для хранения одного литиевого иона необходимо шесть атомов углерода, поэтому удельная энергия этих батарей мала."
В связи с тем, что наука и промышленность в настоящее время изучают возможность использования литий-ионных батарей для питания электромобилей и аэрокосмических аппаратов, повышение плотности энергии имеет решающее значение.
В настоящее время исследователи ищут новые материалы, которые могут увеличить количество ионов лития, хранящихся в аноде.
Одним из наиболее многообещающих кандидатов является кремний, который может связывать четыре иона лития на каждый атом кремния.
«Кремниевые аноды могут хранить в десять раз больше заряда в данном объеме, чем графитовые аноды – на целый порядок больше с точки зрения плотности энергии», – сказал доктор. Аро. "Проблема в том, что по мере того, как ионы лития перемещаются в анод, изменение объема огромно, примерно до 400%, что приводит к разрушению электрода и его разрушению."
Большое изменение объема также препятствует стабильному образованию защитного слоя, который находится между электролитом и анодом. Поэтому каждый раз, когда батарея заряжается, этот слой должен постоянно восстанавливаться, израсходуя ограниченный запас ионов лития и сокращая срок службы и перезаряжаемость батареи.
«Наша цель состояла в том, чтобы попытаться создать более прочный анод, способный противостоять этим нагрузкам, который может поглощать как можно больше лития и обеспечивать как можно больше циклов зарядки до того, как он испортится», – сказал доктор. Грамматикопулос, старший автор статьи. "И подход, который мы выбрали, заключался в создании структуры с использованием наночастиц."
В предыдущей статье, опубликованной в 2017 году в журнале Advanced Science, ныне расформированные OIST Nanoparticles by Design Unit разработали слоистую структуру в виде пирога, в которой каждый слой кремния был зажат между наночастицами металлического тантала. Это улучшило структурную целостность кремниевого анода, предотвращая чрезмерное набухание.
Экспериментируя с разной толщиной слоя кремния, чтобы увидеть, как это влияет на упругие свойства материала, исследователи заметили кое-что странное.
«Была точка на определенной толщине слоя кремния, где упругие свойства структуры полностью изменились», – сказал Тео Булумис, нынешний аспирант OIST, проводивший этот эксперимент. «Материал постепенно становился жестче, но затем жесткость быстро уменьшалась, когда толщина кремниевого слоя была еще больше увеличена. У нас были некоторые идеи, но в то время мы не знали фундаментальной причины, по которой произошло это изменение."
Теперь эта новая статья, наконец, дает объяснение внезапного скачка жесткости при одной критической толщине.
С помощью методов микроскопии и компьютерного моделирования на атомном уровне исследователи показали, что, поскольку атомы кремния осаждаются на слой наночастиц, они не образуют ровную и однородную пленку.
Вместо этого они образуют колонны в форме перевернутых конусов, которые становятся все шире и шире по мере осаждения большего количества атомов кремния. В конце концов отдельные кремниевые колонны соприкасаются друг с другом, образуя сводчатую структуру.
«Сводчатая конструкция прочна, как арка в гражданском строительстве», – сказал д-р. Грамматикопулос. "Применяется та же концепция, только в наномасштабе."
Важно отметить, что повышенная прочность конструкции также совпала с улучшенными характеристиками аккумулятора. Когда ученые провели электрохимические испытания, они обнаружили, что литий-ионный аккумулятор имеет повышенную зарядную емкость. Защитный слой также был более стабильным, что означало, что аккумулятор мог выдерживать большее количество циклов зарядки.
Эти улучшения видны только в тот момент, когда столбцы соприкасаются. До того, как наступит этот момент, отдельные стойки будут шататься и поэтому не могут обеспечить структурную целостность анода. И если осаждение кремния продолжается после соприкосновения столбцов, это создает пористую пленку с множеством пустот, что приводит к слабому, похожему на губку поведению.
Это раскрытие сводчатой структуры и того, как она приобретает свои уникальные свойства, не только является важным шагом на пути к коммерциализации кремниевых анодов в литий-ионных батареях, но также имеет множество других потенциальных применений в области материаловедения.
«Сводчатая конструкция может использоваться, когда необходимы материалы, которые являются прочными и способны выдерживать различные нагрузки, например, для биоимплантатов или для хранения водорода», – сказал доктор. Грамматикопулос. «Точный тип материала, который вам нужен – более прочный или мягкий, более гибкий или менее гибкий – можно точно изготовить, просто изменив толщину слоя. В этом прелесть наноструктур."