Исследователи нашли способ внедрения кремния в структуру перезаряжаемых ионно-литиевых батарей, что должно помочь существенно увеличить их ресурс. Батарейки подобного типа используются во множестве приложений, включая цифровые камеры и мобильные телефоны.

Принцип действия ионно-литиевых батарей основан на перемещении ионов лития между полюсами батареи- анодом и катодом. Ионы накапливаются на аноде между слоями материала, из которого анод изготовлен. Как правило, анод изготовлен из графита. При разрядке, ионы движутся к катоду. Важным достоинством графитового анода являются очень небольшие изменения объема, происходящие при переходе ионов в анод. Кроме того, известным важным свойством ионно-литиевых батарей является высокая скорость перемещения ионов между электродами. Однако, несмотря на все вышеизложенное и большую популярность ионно-литиевых электро аккумуляторов, они имеют весьма ограничеснную емкость заряда, что не позволяет им в разумном будущем удовлетворить растущие требования новых технологий, которые одновременно требуют и более высокие ем кости заряда и удлинненный ресурс.

Эксперименты показывают, что кремний является материалом, который мог бы помочь разработчикам в поисках оптимальных решений для ионно-литиевых батареек. Однако и здесь есть свои проблемы, которые до настоящего времени ограничивают возможность использования кремниевых добавок. В частности, кремний существенно увеличивается в объеме при введении ионов. Кроме того, массивный кремний ломок и теряет емкость очень быстро.

Исследователи из Стенфордского унрверситета (Stanford University) практически преодолели эти проблемы, используя наноструктурный кремний. Результаты работы опубликованы в интернет-журнале Nano Letters (Li-Feng Cui, Riccardo Ruffo, Candace K. Chan, Hailin Peng and Yi Cui. Crystalline-Amorphous Core−Shell Silicon Nanowires for High Capacity and High Current Battery Electrodes, – Nano Lett., 2009, 9 (1), pp 491–495; DOI: 10.1021/nl8036323). Ученые разработали конструкцию кремниевых нанопроволок со структурой сердечник-оболочка, состоящих из центрального твердого сердечника, окруженного цилиндрической оболочки, идентично коаксиальному кабелю. Сердечник имеет кристаллическую структуру, в то время как оболочка имеет «аморфную» структуру. Эта работа развивает результаты, опубликованные группой год назад (Nature Nanotechnology, 2008, vol 3, p 31, DOI:10.1038/nnano.2007.411), в которых ученые писали о попытках изготовить монокристаллические проволочки с целью получения емкости зарядки в 10 раз выше, чем у углерода.

Кристаллические и аморфные компоненты имеют важные различия, но использование их совместно дает возможность получить хороший материал для анода. С самого начала проекта предполагалось, что удасться использовать аморфную оболочку для накопления и хранения ионов, в то время как сердечник будет служить прочным механическим стержнем и эффективным проводником электронов.

Обе формы кремния – и кристаллическая и аморфная – могут хранить ионы лития достаточно хорошо, но амрфный кремний имеет более высокую многоцикловую выносливость. Кроме этого, аморфный кремний реагирует с литием при более высокой разности потенциалов. Если разность потенциалов поддерживается на более высоком уровне, ионы лития не могут быть сохранены в сердечнике.

Нанопроволочки кремния со структурой «сердечник – оболочка» применяются в ряде технологий, например, в фотоэлементах, но это их первое использование в аккумуляторных батареях. Эксперименты показали, что при накоплении заряда происходит увеличение объема аморфного кремния, но не намного. Нанопроволочки кремния со структурой «сердечник – оболочка» имеют очень высокую зарядную емкость – в три раза выше, чем у аналогичного по структуре углерода, и поддерживают емкость на уровне 90% в течение 100 циклов зарядки-разрядки. Новая конструкция позволяет осуществлять очень быстрый цикл – порядка 7 минут, и может развивать достаточно высокую мощность.

Евгений Биргер