Графит в качестве активного материала анода применялся ещё в самых первых литий-ионных батареях, выпущенные компанией Sony. Используется он и сегодня, несмотря на то, что дешёвый и широкодоступный кремний по удельной энергоёмкости превосходит графит в 10 раз.

Виной тому ряд технологических трудностей на пути внедрения этой привлекательной альтернативы, преодолеть которые до сих пор не удавалось. Возможное решение, позволяющее удвоить срок эксплуатации и увеличить ёмкость литий-ионных батарей за счёт усиления структуры кремниевого анода графеновыми элементами, предложила команда Уорвикского университета (Великобритания) в статье, опубликованной вчера журналом Scientific Reports.

Ученые разработали аноды, на 60% состоящие из частиц кремния, на 16% — из нескольких слоев графена (Few-Layer Graphene — FLG), на 14% — из натрия и полиакриловой кислоты и на 10% — из углеродных добавок. Такие аноды достаточно просто производить в промышленных масштабах благодаря отсутствию необходимости заниматься изготовлением наночастиц кремния и вдаваться в связанные с этим проблемы.

«Хлопья FLG заполняют анод и действуют как крепкие, но эластичные балки. Эти хлопья увеличивают прочность и эластичность всего материала, значительно снижая ущерб, наносимый физическим расширением кремния в процессе насыщения литием. Графен усиливает дальнюю электропроводность анода и поддерживает низкое сопротивление в структурно устойчивом композите», — сообщила возглавляющая это исследование доктор Мелани Ловеридж (Melanie Loveridge).

Однако даже более важное значение, по её мнению, имеет подтвердившаяся в ходе экспериментов гипотеза об эффективности FLG для сохранения пространственного разделения частиц кремния. С каждым циклом зарядки батареи растёт вероятность того, что эти частицы останутся слипшимися вместе — электрохимически сплавленными. Подобная агломерация ухудшает доступ электролита к материалу анода и препятствует эффективной диффузии ионов лития, что, безусловно, сокращает время жизни батареи и снижает её ёмкость.

Авторы метода уже приступили к подготовке допромышленного производства кремний-графеновых композитов в рамках двухлетнего проекта, возглавляемого Varta Micro-innovations и осуществляемого при участии Кембриджского университета, CIC, Lithops и IIT (Italian Institute of Technology).