Новая структура анода для обычных литий-ионных аккумуляторов на порядок повысит их производительность.

Литий-ионные аккумуляторы сегодня приобрели огромную популярность благодаря неплохому сочетанию цены, емкости и легкости. Это самые распространенные аккумуляторы в сотовых телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах и другой портативной технике.

Суть их действия проста: в них протекает электрохимическая реакция, сопряженная с перемещением ионов лития от одного электрода к другому – через слой жидкого электролита (при подзарядке эта реакция идет в обратном направлении). Критическим моментом в работе таких аккумуляторов является эффективность, с которой идет обмен ионами между катодом и анодом. Чем большее число ионов лития способны они передавать друг другу – тем большей емкостью будет обладать аккумулятор.

В качестве отрицательно заряженного катода сегодня используется графит, а положительного анода – литий-кобальновые или литий-марганцевые пластины. Теоретически, если мы сможем делать аноды на основе не углерода, а кремния, то уже это повысит емкость аккумуляторов вдесятеро, однако пока ученым не удавалось получить кремниевых структур, достаточно стабильных в агрессивных условиях, в которых должен работать этот анод. Типичный графитовый анод литий-ионного аккумулятора состоит из частиц размерами 15–20 мкм. Если заменить их на того же размеры частицы кремния, то расширение и сжатие, которое происходит при входе и выходе ионов лития в анод, быстро разрушает структуру такого анода.

Рис. 1. На этой схеме показана иерархическая структура, которая представляет собой углеродные частицы (черные), покрытые наночастицами кремния (голубые), организованные в твердую сферическую гранулу с открытыми внутренними порами

Эту проблему решает новый структурный подход, предложенный группой американских ученых во главе с Глебом Юшиным – что позволяет воспользоваться всеми преимуществами кремниевых анодов. Только представьте: от батареи того же размера и веса можно будет добиться в разы большей емкости, или наоборот – при той же емкости в несколько раз уменьшить размеры батареи.

«На нано-масштабе мы можем “подстраивать” свойства материалов с намного большей точностью, чем с традиционным подходом, – комментирует свой результат сам Юшин, – Это – пример тому, как нанотехнологии позволяют получать материалы с усовершенствованными свойствами». Действительно, тестирование, проведенное в его лаборатории показало, что аккумулятор размерами с небольшую монетку впятеро превосходил емкость аналогичного устройства с анодом на основе обычного графита.

Рис. 2. Электронная микрофотография покрытых углеродом кремниевых наночастиц в структуре нового анода

Чтобы получить нужный материал, ученые начали с создания проводящей иерархической – как дерево с ветвями – структуры из наночастиц кремния. Затем на нее наносились сферические частицы кремния диаметром менее 30 нм. Наконец, из них формировали более крупные сферы, усеянные порами. Итоговая структура (схема ее показана на иллюстрации) напоминает вид сверху на плодоносящую яблоню. Стоит сказать, что каждая такая «яблоня»-гранула имеет размеры не более 10–30 мкм. Из них-то и образуется новый анодный материал.

Здесь особенно важна именно пористая структура гранул. Она позволяет, во-первых, быстро впускать ионы лития при подзарядке, а во-вторых, делает всю структуру «упругой» и не допускает появления в материале разломов, вызванных поглощением или отдачей лития.

По утверждению авторов разработки, использованная ими технология формирования наноструктуры из кремния и углерода легко масштабируется для промышленного использования и полностью применима к уже производящимся аккумуляторам. А это дает неплохие шансы на то, что скоро мы увидим куда более «долгоиграющие» мобильные телефоны, ноутбуки, плееры и весь набор портативных устройств, где используются литий-ионные аккумуляторы.

По пресс-релизу Georgia Institute of Technology.