Учёные построили экспериментальный электрод для литиевого аккумулятора, который удерживает в десять раз больше энергии и заряжается в десять раз быстрее традиционного аналога. До рынка эта разработка должна добраться за три-пять лет, уверяют её авторы.

Гарольд Кунг (Harold H. Kung) и его коллеги из Северо-Западного университета сосредоточили свои усилия на аноде литиевой батареи. От его параметров зависит, сколько ионов лития он может удерживать во время зарядки и как быстро он способен их принять.

В обычной батарее анод составлен из огромного множества слоёв графита (фактически тут можно говорить о графене – одноатомных углеродных листах). Такой материал может удерживать один атом лития на каждые шесть атомов углерода.

Исследователи давно пробуют заменить углерод кремнием, тот способен захватывать по четыре атома лития на каждый свой атом. Но в процесс захвата и отдачи лития кремний очень сильно расширяется и сжимается, что приводит к разрушению электрода и быстрому падению ёмкости батареи.

Чтобы решить эту проблему, Гарольд и его соратники придумали графено-кремниевый композит. Графеновые листы, между которыми зажаты кластеры из атомов кремния, своей податливостью и подвижностью обеспечили пространство для изменения объёма электрода без его разрушения.

Что до скорости зарядки, то авторы электрода тоже нашли способ поднять её на порядок. С помощью химического процесса они создали в графеновых листах набор отверстий (дефектов в плоскости) поперечником по 10–20 нанометров каждое.

Рис. 1. В дальнейшем Гарольд намерен исследовать
возможные улучшения в катоде и электролите, чтобы
ещё существеннее нарастить возможности аккумуляторов,
базирующихся на литии (фото Northwestern University).

Эти углеродные вакансии значительно повысили скорость диффузии ионов через листы композита, сообщают авторы новинки в журнале Advanced Energy Materials.

Окна в углеродных слоях позволяют литию быстрее достигать внутренних слоёв бутерброда, нежели это происходит в обычном электроде.

Все вместе эти инновации позволили существенно поднять параметры батареи.

«Даже после 150 зарядов, которые означают год или более работы, эта батарея всё ещё в пять раз более эффективна, чем литиево-ионные аккумуляторы, присутствующие на рынке сегодня», — говорит Кунг.

Статья авторов разработки:

Xin Zhao, Cary M. Hayner, Mayfair C. Kung, Harold H. Kung In-Plane Vacancy-Enabled High-Power Si–Graphene Composite Electrode for Lithium-Ion Batteries. – Advanced Energy Materials. – Volume 1, Issue 6, pages 1079–1084, November, 2011; DOI: 10.1002/aenm.201100426.