Возможность замены миллионов автомобилей по всему миру работающих на углеводородном топливе, на электромобили, представляет огромные экономические и экологические дивиденды. Но это также ставит задачу разработки технологий следующего поколения, необходим аккумулятор с гораздо большей плотностью энергии. Кремниевые анодовы в литий-ионных батареях - очень перспективный вариант.
На сегодняшний день, электромобили оснащаются никель-металл-гидридными аккумуляторными батареями. Они тяжелые, громоздкие, и обладают слишком низкой удельной энергией, около 80 ватт часов на килограмм (Вт ч / кг), для дальних поездок. Литий-ионные аккумуляторы, которые широко применяются в портативной электронике, обладают большими возможностями. Состоящие из трех основных компонентов: графитового анода, катода и электролита (литиевой соли растворенной в органическом растворителе), графитовый анод обладает удельной мощностью около 350 мАч / г. Литий-ионные аккумуляторы с графитовыми анодами показывают содержание удельной энергии более 160 Вт ч / кг, что вдвое больше никель-металл-гидридных.
Если мы хотим увеличить пробег электрических транспортных средств, у нас должны быть гораздо более мощные батареи, как минимум в два раза мощнее, литий-ионных аккумуляторов с графитовыми электродами - говорит д-р Джейсон Чжан, исследователь из PNNL.
Одним из факторов, сдерживающих разработку литий-ионных батареи, является их графитовый анод. Литий проникает в графит при зарядке батареи и выводится при ее использовании. Графитовые аноды используются почти во всех литий-ионных батареях, но последние исследования показали, что лучшим решением для анода является кремний. Предполагаемая мощность таких аккумуляторов может быть до 10 раз большей, чем у графитовых, хотя пока достигли только двойного увеличения емкости. Однако, дает о себе знать та же проблема - поглощение лития и расширение при этом во время зарядки, вследствие чего кремний быстро разрушается.
Задача исследователей PNNL: воспользоваться преимуществами высокой емкости кремния, и найти способ сохранения анода от разрушения при циклах зарядки - разрядки.
Чжан и команда исследователей поставили перед собой задачу по созданию структуры кремниевых частиц, которая позволит сохранить целостность элемента при эксплуатации. Для увеличения прочности они наноструктурировали пористый кремний, химически осадили пары углерода, образовав пленку на поверхности и нанесли очень упругую сажу марки Ketjen Black , для улучшения электропроводности. Ученые разместили эти аноды между графеновыми плоскими листами, для поддержания сильного электрического контакта между частицами кремния.
После проверки таких анодов в лаборатории обнаружилось, что они обладают обратимой мощностью более 1600 мА ч / г после 40 циклов зарядки - разрядки. Это более чем в два раза превышает мощность обычных литий-ионных батарей с графитовыми анодами.
Команда исследователей продолжает работу над улучшением производительности и устойчивости кремниевых анодов от 40 - 50 циклов сегодня, до 500 циклов. Одним из решений может быть разработка лучшего связующего, которое сможет увеличить механическую прочность и электропроводность.
