Ученые из U.S. Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория Министерства энергетики США разработала новый способ использования этого многообещающего, но проблемного ингредиента для хранения энергии. Кремний, используемый в компьютерных микросхемах и многих других продуктах, привлекателен, поскольку он может удерживать в 10 раз больше электрического заряда на грамм по сравнению с графитом. Проблема в том, что кремний сильно расширяется при контакте с литием, и он слишком слаб, чтобы выдерживать давление при производстве электродов.
Чтобы решить эти проблемы, группа ученых под руководством исследователей PNNL Цзи-Гуана (Джейсона) Чжана и Сяолиня Ли разработала уникальную наноструктуру, которая ограничивает расширение кремния, одновременно укрепляя его углеродом. Их работа, недавно опубликованная в журнале Nature Communications, может дать информацию о новых конструкциях электродных материалов для других типов батарей и в конечном итоге помочь увеличить энергоемкость литий-ионных батарей в электромобилях, электронных устройствах и другом оборудовании.
Избавляемся от кремния
Проводящая и стабильная форма углерода, графит хорошо подходит для упаковки ионов лития в анод батареи во время зарядки.
Кремний может поглощать больше лития, чем графит, но он имеет тенденцию увеличиваться в объеме примерно на 300 процентов, вызывая разрушение анода. Исследователи создали пористую форму кремния, объединив маленькие частицы кремния в микросферы диаметром около 8 микрометров, что примерно равно размеру одного эритроцита.
«Например, твердый материал, такой как камень, сломается, если он слишком сильно расширится в объеме», – сказал Чжан. "То, что мы создали, больше похоже на губку, где внутри есть место, чтобы поглотить расширение."
Исследование показало, что электрод со структурой пористого кремния демонстрирует изменение толщины менее чем на 20 процентов, в то же время выдерживая удвоенный заряд типичного графитового анода. Однако, в отличие от предыдущих версий пористого кремния, микросферы также продемонстрировали исключительную механическую прочность благодаря углеродным нанотрубкам, которые делают сферы похожими на клубки пряжи.
Сверхпрочные микросферы
Исследователи создали структуру в несколько этапов, начиная с покрытия углеродных нанотрубок оксидом кремния.
Затем нанотрубки помещали в эмульсию масла и воды. Затем они были нагреты до кипения.
«Покрытые углеродные нанотрубки конденсируются в сферы, когда вода испаряется», – сказал Ли. «Затем мы использовали алюминий и более высокую температуру, чтобы превратить оксид кремния в кремний, а затем погрузили в воду и кислоту для удаления побочных продуктов."В результате процесса получается порошок, состоящий из крошечных частиц кремния на поверхности углеродных нанотрубок.
Прочность сфер из пористого кремния проверялась с помощью зонда атомно-силового микроскопа. Авторы обнаружили, что один из шариков наноразмерной пряжи «может немного деформироваться и потерять некоторую пористость при очень высокой сжимающей силе, но он не сломается."
Это является хорошим предзнаменованием для коммерциализации, поскольку анодные материалы должны выдерживать сильное сжатие в роликах во время производства. Следующим шагом, по словам Чжана, будет разработка более масштабируемых и экономичных методов изготовления кремниевых микросфер, чтобы они однажды смогли перейти в новое поколение высокопроизводительных литий-ионных аккумуляторов.