Уникальная наноструктура делает возможным скачок в использовании кремния для аккумуляторов

Тот же материал, который вы найдете на кончике карандаша – графит – уже давно является ключевым компонентом современных литий-ионных аккумуляторов. Однако по мере увеличения нашей зависимости от этих батарей электроды на основе графита подлежат модернизации. Для этого ученые ищут элемент в сердце цифровой революции – в кремнии.

Ученые Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США придумали новый способ использования этого многообещающего, но проблемного ингредиента для накопления энергии. Кремний, используемый в компьютерных чипах и многих других продуктах, привлекателен, потому что он может удерживать электрический заряд в 10 раз на грамм по сравнению с графитом. Проблема в том, что кремний сильно расширяется, когда сталкивается с литием, и он слишком слаб, чтобы выдерживать давление при изготовлении электродов.

Для решения этих проблем команда во главе с исследователями PNNL Джи-Гуаном (Джейсон) Чжаном и Сяолинь Ли разработала уникальную наноструктуру, которая ограничивает расширение кремния при одновременном его обогащении углеродом. Их работа, которая была недавно опубликована в журнале Nature Communications, могла бы послужить основой для разработки новых материалов электродов для батарей других типов и, в конечном итоге, помочь увеличить энергоемкость литий-ионных батарей в электромобилях, электронных устройствах и другом оборудовании.

Минусы кремния

Проводящий и стабильный вид углерода, графит хорошо подходит для упаковки ионов лития в анод аккумулятора при его зарядке. Кремний может поглощать больше лития, чем графита, но он имеет тенденцию увеличиваться в объеме примерно на 300 процентов, что приводит к разрушению анода. Исследователи создали пористую форму кремния путем объединения небольших частиц кремния в микросферы диаметром около 8 микрометров – примерно размером с одну эритроцитную клетку.

“Твердый материал, такой как камень, например, сломается, если он слишком сильно увеличится в объеме”, – сказал Чжан. – “То, что мы создали, более похоже на губку, где внутри есть пространство для поглощения расширения”.

По данным исследования, электрод с пористой структурой кремния демонстрирует изменение толщины менее чем на 20 процентов, при этом он вмещает вдвое больше заряда, чем типичный графитовый анод. Однако, в отличие от предыдущих версий пористого кремния, микросферы также проявляли необычайную механическую прочность благодаря углеродным нанотрубкам, которые делают шары похожими на шарики пряжи.

Сверхсильные микросферы

Исследователи создали структуру в несколько этапов, начав с покрытия углеродных нанотрубок оксидом кремния. Далее нанотрубки помещали в эмульсию масла и воды. Затем их нагревали до кипения.

“Углеродные нанотрубки с покрытием конденсируются в сферы, когда вода испаряется”, – сказал Ли. – “Затем мы использовали алюминий и более высокую температуру для преобразования оксида кремния в кремний с последующим погружением в воду и кислоту для удаления побочных продуктов”. В результате этого процесса получается порошок, состоящий из крошечных частиц кремния на поверхности углеродных нанотрубок.

Прочность пористых кремниевых сфер проверяли с помощью зонда атомно-силового микроскопа. Авторы обнаружили, что один из наноразмерных шариков пряжи “может слегка растянуться и потерять некоторую пористость при очень высокой силе сжатия, но он не сломается”.

Это служит хорошим предзнаменованием для коммерциализации, поскольку анодные материалы должны выдерживать высокое сжатие в роликах во время производства. Следующим шагом, сказал Чжан, является разработка более масштабируемых и экономичных методов изготовления кремниевых микросфер, чтобы они могли однажды пробиться в новое поколение высокоэффективных литий-ионных батарей.

По материалам Scitechdaily