Ученые из Министерства энергетики США нашли новый способ использования кремния в конструкции электродов батарей, который мог бы послужить основой для разработки нового поколения литиевых батарей с большей энергоемкостью и высокой производительностью. Эти батареи используются в электромобилях, электронных устройствах и другом оборудовании.

Кремний является многообещающим, но проблематичным ингредиентом для хранения энергии. Используется в компьютерных чипах и многих других продуктах, он привлекателен, потому что может выдерживать в 10 раз электрический заряд на грамм по сравнению с графитом, наиболее часто используемым материалом в современных литиевых батареях. Проблема в том, что кремний значительно расширяется при встрече с литием и слишком слаб, чтобы выдерживать давление при изготовлении электродов.

Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США, возможно, решили проблему. Исследовательская команда разработала уникальную наноструктуру, которая ограничивает расширение кремния, усиливая его углеродом. Их работа, недавно опубликованная в журнале Nature Communications и упоминаемая Madri + d, может послужить основой для новых конструкций электродных материалов для других типов батарей и со временем поможет повысить энергоемкость литий-ионных батарей электромобилей, электронных устройств и другого оборудования.

Как 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 имеет тенденцию набухать примерно на 300 процентов по объему, вызывая разрушение анода. Исследователи создали пористую форму кремния, добавив крошечные частицы кремния в микросферы диаметром около 8 микрометров, размером с эритроцит.


Супер микросферы

«Твердый материал, такой как камень, например, сломается, если он слишком сильно расширится по объему», — объясняет Цзи-Гуан Чжан, один из ученых, возглавляющих проект. — «То, что мы создали, больше похоже на губку, где внутри есть место для поглощения расширения».

Согласно исследованию, электрод с кремниевой пористой структурой демонстрирует изменение толщины менее 20 процентов, в то время как он вмещает в два раза больше заряда типичного графитового анода. Однако, в отличие от предыдущих версий пористого кремния, микросферы также демонстрировали необычайную механическую прочность благодаря углеродным нанотрубкам, которые делают сферы похожими на клубки пряжи.

Исследователи создали эту структуру в несколько этапов, начиная с покрытия углеродных нанотрубок оксидом кремния. Затем нанотрубки помещали в эмульсию масла и воды. Затем они нагревались до кипения.

«Покрытые углеродные нанотрубки конденсируются в виде сфер, когда вода испаряется», — объясняет другой исследователь. — «Затем мы используем алюминий и еще более высокое тепло для превращения оксида кремния в кремний, а затем погружение в воду и кислоту для удаления побочных продуктов».

 То, что выходит из процесса, представляет собой порошок, состоящий из крошечных частиц кремния на поверхности углеродных нанотрубок.

Прочность пористых кремниевых сфер была проверена с помощью зонда атомно-силового микроскопа. Авторы обнаружили, что одна из нитей нанометрового размера «может слегка провисать и терять некоторую пористость при очень высокой силе сжатия, но она не сломается».

Это предвещает коммерциализацию, поскольку анодные материалы должны выдерживать высокое сжатие в роликах во время производства. Следующим шагом, сказал Чжан, является разработка более масштабируемых и недорогих методов производства кремниевых микросфер, чтобы в один прекрасный день они могли пробиться в следующее поколение высокопроизводительных литий-ионных батарей.