Литий-ионные батареи широко используются в электрических транспортных средствах, став в то же время объектом для исследований в области улучшения общей эффективности, долговечности и надежности. Новый тип электрода с нанопроводниками, разработанный специалистом по материалам и инженерии профессором Ю Кю (Yi Cui) из Стэнфорда, является следующим этапом развития этих характеристик. Новые электроды могут хранить в шесть раз больший заряд, нежели графитовые в существующих литиевых батареях, что прямо отражается на увеличении проходимого электромобилем пути на одном заряде.

Когда литиевый аккумулятор заряжен, ионы лития перемещаются от положительного электрода (катода) к отрицательному (аноду). Кремний является одним из многообещающих материалов для анода, потому как способен хранить более чем в 10 раз больше ионов по сравнению с графитом при той же массе. Но, поглощая заряд, кремний увеличивается в объеме до 4 раз, приходя в негодность после нескольких рабочих циклов. На выручку приходят нанопроводники.

Кю вместе с коллегами создал новый материал, разместив аморфный кремний на углеродных нанопроводниках. В результате последние обрели способность удерживать заряд около 2000 мАч на один грамм, тогда как для графитовых анодов этот показатель не превышает 360 мАч. К тому же, углеродная основа делает электроды жесткими. Кю описывает преимущества: «Ионы лития также поглощаются углеродом, но его объем увеличивается на 10% или меньше».

В ходе тестов нанопроводники легко выдержали 50 циклов перезарядки. Прежде исследователи пытались производить электроды из нанопроводников в виде чистого кристаллического кремния. Они втрое превосходили по эффективности графитовые, однако более 20 циклов не выдерживали.

Углеродно-кремниевые нанопроводники легки в изготовлении: отсутствует необходимость в высоких температурах, характерных для чисто кремниевых структур. «Углеродное нановолокно уже доступно как коммерческий продукт, который можно производить тоннами», – говорит Кю. Для использования в транспорте на электрической тяге электроды в литиевых батареях должны быть способны пройти по меньшей мере через 300 циклов перезарядки. В этом случае они смогут претендовать на конкурентоспособность.

В декабре 2008 года группа ученых из Ханьянского университета в Ансане (Hanyang University in Ansan), Южная Корея, продемонстрировали кремниевые аноды с нанопорами, которые преодолели рубеж в 100 циклов. Возглавлявший работу химик Жефиль Чо (Jaephil Cho) охарактеризовал разработку как более совершенную относительно нанопроводников, поскольку на единицу объема приходится больше кремния, а значит и заряда. Тем не менее, по его словам, «производство углеродных волокон легко расширить, поэтому технология Кю очень практична».

Тем временем компании General Motors и Applied Science также трудятся над анодами с нанопроводниками. Их методика предполагает покрытие углеродных нановолокон кремниевыми частицами в противоположность аморфному кремнию; их емкость составляет от 1000 до 1500 мАч на грамм. Возглавляющий исследования Голэм-Аббас Назри (Gholam-Abbas Nazri) считает, что емкость анода можно увеличить путем утолщения кремниевого слоя, но наилучшая стабильность работы достигнута при 1000 мАч на грамм. Дальнейшее усовершенствование нуждается в разработке новых катодов.

Кю уверен в правильности выбора кремния в качестве материала для анода литиевых аккумуляторов: «В течение следующих пяти лет мы увидим батареи с кремниевыми анодами». Как бы там ни было, стоимость останется решающим фактором. В конечном счете, все зависит от «появления дешевого, крупномасштабного производственного процесса, выпускающего продукты на основе новых технологий».