Кремниевые аноды известны своей плотностью энергии, которая в 10 раз больше, чем у графитовых анодов, наиболее часто используемых в современных коммерческих литий-ионных батареях. С другой стороны, кремниевые аноды печально известны тем, как они расширяются и сжимаются при зарядке и разряде батареи, а также тем, как они разлагаются жидкими электролитами. Эти проблемы не позволяют использовать полностью кремниевые аноды в коммерческих литий-ионных батареях, несмотря на соблазнительную плотность энергии. Новая работа, опубликованная в Science, открывает многообещающие перспективы для полностью кремниевых анодов благодаря правильному электролиту.

Читай также: У iPhone обнаружены серьезные проблемы с батареей

"С этой конфигурацией батарей мы открываем новую территорию для твердотельных батарей, использующих аноды из сплава, такого как кремний", — сказал Даррен Х.С. Тан, ведущий автор статьи. 

В твердотельных батареях следующего поколения с высокой плотностью энергии в качестве анода всегда использовался металлический литий. Но это накладывает ограничения на скорость заряда аккумулятора и необходимость повышения температуры (обычно 60 градусов Цельсия или выше) во время зарядки. Кремниевый анод преодолевает эти ограничения, обеспечивая более высокую скорость заряда при комнатной или низкой температуре, сохраняя при этом высокую плотность энергии.

Команда продемонстрировала полный элемент лабораторного масштаба, который обеспечивает 500 циклов зарядки и разрядки с сохранением емкости 80% при комнатной температуре, что представляет собой впечатляющий прогресс как для производителей кремниевых анодов, так и для твердотельных аккумуляторов.

Кремниевые аноды, конечно, не новость. На протяжении десятилетий ученые и производители аккумуляторов смотрели на кремний как на энергоемкий материал, который можно смешать с обычными графитовыми анодами в литий-ионных батареях или полностью заменить ими. Теоретически кремний предлагает примерно в 10 раз большую емкость хранения, чем графит. Однако на практике литий-ионные батареи с кремнием, добавленным к аноду для увеличения плотности энергии, обычно страдают от реальных проблем с производительностью: в частности, количество раз, когда аккумулятор может заряжаться и разряжаться при сохранении производительности, недостаточно велик.

Читай также: В Китае выпустили смартфон с огромной батареей

Большая часть проблемы вызвана взаимодействием между кремниевыми анодами и жидкими электролитами, с которыми они связаны. Ситуация осложняется большим объемным расширением частиц кремния при заряде и разряде. Это приводит к серьезным потерям мощности со временем.

Команда, возглавляемая Калифорнийским университетом в Сан-Диего, использовала другой подход: они отказались от углерода и связующих, которые использовались с полностью кремниевыми анодами. Кроме того, исследователи использовали микрокремний, который менее обрабатывается и дешевле, чем нанокремний, который используется чаще.

Помимо удаления всего углерода и связующих с анода, команда также удалила жидкий электролит. Вместо этого они использовали твердый электролит на основе сульфида. Их эксперименты показали, что этот твердый электролит чрезвычайно стабилен в батареях с полностью кремниевыми анодами.

Предыдущие усилия по коммерциализации анодов из кремниевых сплавов в основном сосредоточены на кремний-графитовых композитах или на сочетании наноструктурированных частиц с полимерными связующими. Но они все еще борются с плохой стабильностью.

Читай также: Технопрогноз на 2021: Быстрый заряд и батарея на 5000 мАч станут нормой

Заменив жидкий электролит твердым электролитом и одновременно удалив углерод и связующие с кремниевого анода, исследователи избежали ряда связанных проблем, которые возникают, когда аноды пропитываются органическим жидким электролитом во время работы батареи.

В то же время, исключив углерод из анода, команда значительно уменьшила межфазный контакт (и нежелательные побочные реакции) с твердым электролитом, избегая постоянной потери емкости, которая обычно происходит с электролитами на жидкой основе.

Этот двухэтапный шаг позволил исследователям в полной мере воспользоваться преимуществами низкой стоимости, высокой энергии и экологически безвредных свойств кремния.

Напомним, ранее сообщалось, что ученые совершили крупный прорыв в области квантовых компьютеров.

Хотите знать важные и актуальные новости раньше всех? Подписывайтесь на Bigmir)net в Facebook и Telegram.

magne1906