Ось вже протягом більш ніж 10 років, вчені намагаються поліпшити батареї на основі літію, замінивши графіт одного з електродів на кремній, що дозволяє зберігати у 10 разів більше енергії. Але проблема полягала у тому, що вже через кілька циклів зарядки/розрядки, кремнієва структура починає тріскатися і кришитися, і батарея руйнується.

Команда, яку очолює матеріалознавець Ї К’юй зі Стенфорду, змогла знайти рішення: спроектована двостінна наноструктура дозволяє новій батареї зберігати свої властивості протягом більше 6000 циклів, що набагато перевершує потреби індустрії електричних автомобілів та мобільної електроніки. При заряджуванні раз у день, термін служби складе 16 років.

"Це досить позитивне досягнення на шляху до нашої мети, яка полягає у створенні більш компактних, легких і довговічних батарей", - каже К’юй. Результати були опубліковані у журналі Nature Nanotechnology.

Літій-іонні батареї широко застосовуються як джерело енергії для електромобілів і портативної електроніки, оскільки вони вміщують відносно велику кількість енергії та є відносно компактними. Принцип роботи цієї батареї заснований на перетіканні іонів літію крізь рідкі електроліти між двома електродами - анодом і катодом.

Вчені вже давно намагаються створити батарею, у якій анод складається із кремнію. Перевага такого рішення полягає у тому, яким чином іони літію зв'язуються із кремнієм при зарядженні. До 4 іонів літію приєднуються до кожного атому кремнієвого аноду - для порівняння, всього один атом літію зв'язується із шістьма атомами вуглецю у застосовуваному сьогодні графітовому аноді. Цим обумовлене збільшення ємності батареї.

Однак, це призводить до збільшення аноду у чотири рази від його початкового об'єму. Більше того, деякі електроліти вступають у реакцію із кремнієм, покриваючи його і не даючи здійснити зарядження. Коли іон літію відокремлюється від аноду при розрядженні, анод стискується до своїх початкових розмірів і покриття тріскається, оголюючи шар кремнію для дії електролітів.

Всього за кілька циклів таке розширення і стиснення у поєднанні з атакою електролітів знищує анод у ході процесу під назвою "декрепітація".

Протягом попередніх п'яти років, група К’юя поступово збільшувала довговічність кремнієвих анодів, виробивши їх із нанопроводів, а потім із порожніх кремнієвих наночастинок. Їхній новий зразок складається із двостінної кремнієвої нанотрубки, що покрита тонким шаром оксиду кремнію - дуже міцного керамічного матеріалу.

Цей міцний зовнішній шар утримує зовнішню стінку нанотрубки від розширення, що дозволяє їй залишатися неушкодженою. Замість розширення зовні, кремній успішно заповнює порожнини між двома стінками, розміри яких занадто малі для влучання молекул електроліту. Після 6000 циклів він зберігає 85 відсотків початкової ємності.

К’юй розповів, що подальші дослідження будуть націлені на спрощення процесу створення двостінних кремнієвих нанотрубок. Частина його групи працює над розробкою нового високоефективного катоду, який складе пару новому аноду у формі батареї, ємність якої буде у п'ять разів перевищувати сучасні зразки літій-іонних батарей.

Джерело: InfoNova.org.ua

За матеріалами: globalscience.ru