Электрод из кремниевых нановолокон

Электрод из кремниевых нановолокон
Электрод из кремниевых нановолокон
В Калифорнийском университете (г. Риверсайд) разработали кремниевый анод для использования в литий-ионных элементах питания. Он превосходит по показателям применяемые в настоящее время материалы и не имеет недостатков, которые в прошлом значительно ухудшали эффективность батареи и приводили к ее быстрому разрушению в процессе работы.

На протяжении долгого времени в качестве материала для отрицательного электрода в литий-ионных батареях использовался графит. Однако по мере развития и усовершенствования элементов питания он постепенно отходит на задний план из-за ограничений по количеству энергии, которую он может сохранить.
Кремний может аккумулировать до 10 раз больше энергии, чем графит, на единицу веса, но в настоящее время у него имеется два ключевых недостатка. Первый – низкая кулоновская эффективность, т.е. заряд, передаваемый через кремниевый электрод, испытывает значительные потери. Второй, и более значимый, состоит в том, что при каждом цикле зарядки кремниевый материал сжимается и расширяется до 300 процентов. Это приводит к образованию трещин, уменьшающих производительность батареи, создает короткие замыкания и в конечном итоге разрушает элемент питания.
Группа под руководством профессоров Мири и Сенгиза Озкан разработала электрод, состоящий из кремниевых нановолокон, которые, согласно проведенному исследованию, не имеют перечисленных кардинальных недостатков (а также ряда других).
Нановолокна были получены путем пропускания разряда высокого напряжения между крутящимся барабаном и соплом, подающим раствор тетраэтилортосиликата (ТЭОС). Далее полученный материал обрабатывался парами магния для придания кремниевым волокнам губчатой структуры.
По мнению профессора М. Озкана, полученные кремниевые нановолокна имеют несколько структурных преимуществ перед другими материалами из кремния.
На поверхности они содержат наноскопические поры диаметром около 10 нанометров, которые вместе с полостями между волокнами обеспечивают достаточное пространство для набухания кремния без нанесения вреда элементу питания.
Кроме этого, имеется три других фактора, которые уменьшают нежелательное расширение кремниевого материала:
– оболочка диоксида кремния толщиной в 1 нанометр;
– второй слой углеродистого покрытия служит в качестве буферного слоя;
– размер самих волокон в диапазоне от 8 до 25 нанометров, что меньше размера, при котором кремний подвержен появлению трещин.
Сейчас литий-ионным батареям необходимо наличие связывателей, которые бы держали частицы активного материала вместе и обеспечивали их контакт с токосъемниками. Связыватели не являются активным материалом, они добавляют батарее в весе и размерах, не принимая прямого участия в работе. И хотя уже имеются прототипы аккумуляторных батарей, в которых не используются связыватели, они не нашли применения в промышленных масштабах. Активные материалы, которые используются в них, могут производиться в очень ограниченных количествах.
Новый электродный материал полностью решает проблему необходимости токоснимателей, полимерных связывателей и проводящих порошковых добавок, а сам кремний составляет 80 процентов всего веса электрода. В отличие от предыдущих разработок элементов питания без связывателей, данный активный материал хорошо подходит для массового производства, поэтому сейчас работа смещается в сторону увеличения размеров и количества аккумуляторных батарей.
Статья с результатами исследования была опубликована в журнале Nature Sientific Reports.
Нет комментариев. Ваш будет первым!