Вчені зі Стенфордського університету та лабораторії SLAC National Accelerator при Міністерстві енергетики США змогли вирішити проблему швидкої деградації анодів з кремнію - перспективного матеріалу, що дозволяє зберігати в батареї в 10 разів більше заряду в порівнянні з графітовим анодом.
Дослідники вже давно намагаються створити надійний кремнієвий електрод з тривалим терміном дії. Під час зарядки і розрядки кремнієвий анод розширюється і звужується, а через свою крихкості, в ході регулярної деформації швидко тріскається і розламується.
Щоб вирішити проблему, вчені запропонували створити анод з настільки малих частинок кремнію, щоб їм уже нема на що було розламуватися. Крім того, вони помістили ці наночастинки в вуглецеву оболонку більшого розміру в порівнянні з самою часткою, таким чином надавши їм простір для розширення, що відбувається під час зарядки.
Використовуючи спеціальну мікроемульсію, вчені зібрали мікрочастинки з оболонкою в групи і помістили їх в ще одну, більш товсту «шкаралупу» з вуглецю.
В результаті вийшла структура, що нагадує гранат. Кожна батарея містить безліч таких «гранатів». «Така структура забезпечує вільне протікання електричного струму», - пояснили дослідники.
Крім того, в ході експериментів вдалося з'ясувати, що акумулятор з «Гранатний» структурою володіє довшим в порівнянні з попередніми аналогічними проектами життєвим циклом: він зберігає 97% ємності через 1 тис. Циклів перезарядки. Це робить елемент придатним для комерційної експлуатації, заявили вчені.
Акумулятор з "Гранатний" структурою: концептуальна ілюстрація
Нова структура допомогла вирішити і ще одну проблему. Під час експлуатації батареї з кремнієвим анодом в результаті реакції з електролітом на електроді утворюється клейка субстанція, яка знижує продуктивність. У «Гранатний» структурі площу зіткнення частинок з електролітом в 10 разів менше. Таким чином, субстанції утворюється набагато менше.
Наночастки нагадують зерна в гранаті: зліва - до зарядки, праворуч - після зарядки
За словами керівника проекту Йі Куї (Yi Cui), незважаючи на значний прогрес, про виведення нових батарей на комерційний ринок говорити поки рано, тому що необхідно вирішити ще дві важливі проблеми. По-перше, потрібно спростити процес виробництва описаних анодів. По-друге, потрібно знайти дешеве джерело кремнієвих наночасток. Одним з таких джерел може бути рисова лушпиння, яка не використовується в харчовій промисловості і на 20% складається з діоксиду кремнію. За словами Куї, її досить легко перетворити в чисті кремнієві наночастинки, придатні для батарей.
У листопаді минулого року вчені розробили інший спосіб продовження терміну експлуатації кремнієвого акумулятора, наділивши анод здатністю до самовідновлення.
