Обычные литиево-ионные аккумуляторы обладают анодами на основе графита, однако инженеры уже давно пришли к выводу, что производительность этого материала достигла своего предела. Поэтому нанотехнологи занимаются поиском замены. Чаще всего в лабораториях для этих целей используется кремний, который, впрочем, тоже далёк от идеала, поскольку быстро изнашивается. К тому же наночастицы кремния непросто изготовить.

Теперь инженеры из университета Калифорнии в Риверсайде придумали новый необычный способ изготовления анодов для литиево-ионных батарей. Оказывается, обычный песок способен увеличить производительность аккумулятора втрое.

Ведущий автор исследования Закари Фейворс (Zachary Favors) рассказывает, что

идея пришла к нему в голову, когда он отдыхал на пляже после серфинга в Сан-Клементе. Он знал, что песок состоит в основном из кварца или диоксида кремния и решил изучить вопрос подробнее.

Учёный собрал несколько образцов богатого кварцем песка и принёс его в свою лабораторию. Там он измельчил песок до гранул диаметром в несколько нанометров, а затем провёл многоэтапную очистку, в результате чего песок стал напоминать сахарную пудру.

Рис. 1. Песок измельчили до состояния пудры, после чего нагрели и очистили, получив таким образом кремний (фото UCR).

В полученный таким образом кварц Фейворс добавил соль (NaCl) и магний и нагрел полученную смесь. В этом простом процессе соль выступала в роли теплопоглотителя, а магний извлёк кислород из состава кварца (превратившись в MgO), в результате чего получился чистый кремний.

Рис. 2. На схеме показан подробный процесс трансформации песка в наночастицы кремния (иллюстрация UCR).

Авторы исследования отмечают в пресс-релизе, что

при таком методе изготовления наночастицы кремния получаются с очень пористой, губчатой структурой. А пористость является одним из ключевых факторов повышения эффективности анодов в аккумуляторах, поскольку она обеспечивает большую площадь поверхности.

Ради эксперимента учёные создали литиево-ионный аккумулятор размером с небольшую монету. Они использовали анод на основе измельчённого песка и были очень удивлены, когда увидели, что производительность батареи оказалась намного выше, чем при использовании обычного графитового анода.

В статье, опубликованной в журнале Scientific Reports, сообщается, что

улучшенная производительность нанокремниевого электрода позволит утроить срок автономной работы таких устройств, как мобильные телефоны или планшеты. Гаджеты с «песочными» батареями можно будет заряжать всего раз в три дня, а не каждый день как сегодня.

В настоящее время Фейворс и его коллеги занимаются разработкой метода получения нанокремния в промышленных масштабах и созданием аккумулятора с песочным анодом большего размера.