Коллектив американских ученых из университета Иллинойса предложил свой вариант решения непростой задачи – созднания батарейки с большой емкостью и быстрым процессом зарядки, использовав концепецию «взаимно непрервыного» материала катода.

Как часто собираясь в дорогу мы с досадой обнаруживаем, что индикатор заряда батареи нашего электронного гаджета настоятельно рекомендует включить его в сеть для подзарядки. В свою очередь, для полной зарядки необходимо никак не меньше получаса времени, которого может и не быть. Поэтому создание устройств, сочетающих в себе высокую емкость батареи и высокую скорость зарядки/разрядки ионисторов, представляется весьма актуальной задачей. Для увеличения скоростей зарядки/разрядки необходимо решить три взаимосвязанные задачи: улучшить подвижность ионов в электролите и электроде, ускорить электрохимические реакции на электроде и понизить электрическое сопротивление на электродах и подводящих контактах.

Рис. 1. а) Схематическое изображение батареи b) Схематическое изображение основных «проблемных» мест в структуре трехмерных каркасных наноразмерных структур. с) Схематическое изображение основных стадий процесса получения композитного катода.

Набравшись смелости, коллектив американских ученых из университета Иллинойса попытался решить эту непростую задачу, предложив концепецию «взаимно непрервыного» материала катода, в котором электролитически активный материал покрывает поры каркаса, обладающего высокой подвижностью электронов, а поры заполняет электролит, обладающий высокой подвижностью ионов.

Рис. 2. СЭМ-микрофотографии композитного катода. а) никелиевый каркас после электрохимической полировки (диаметр шариков шаблона 1,8 мкм). b) поперечное сечение композитного катода состава NiOOH/никелевый каркас. с) поперечное сечение того же материала после эксплуатации. d) никелиевый каркас после электрохимической полировки (диаметр шариков шаблона 466 нм). e) катода состава MnO2/никелевый каркас. f) катод состава MnO2/никелевый каркас после литирования.

В качестве исходного шаблона авторы статьи использовали шарики полистерена (радиусом 466 нм для литий-ионной батареи и 1,8 мкм для никель-металл-гидридной батареи), упакованные по мотиву структуры опала, на который методом электроосаждения был нанесен слой никеля. Меньший радиус шариков для литий-ионной батареи обусловлен более низкой подвижностью электронов и ионов в электролитически активной фазе, и следовательно, необходимостью получения более тонкого слоя электролитически-активного материала. После удаления полистеренового шаблона был получен никелевый каркас со структурой инверсного опала, отличительной чертой которой является очень тонкая прослойка металла между сферическими пустотами. Затем полученный каркас был подвергнут электрохимической полировке (для еще большего увеличения пористости и равномерного нанесения электролитически активного материала), и в заключение, поры были заполнены электролитически активным материалом (NiOOH в случае никель-металл-гидридной и MnO2 в случае литий-ионной батареи, который затем был литирован) методом электроосаждения.

Для решения основной задачи – исследования скорости зарядки и разрядки – ученые собрали трехэлектродную ячейку (насыщенный каломельный – электрод сравнения, платиновый – противоэлектрод). Было установлено, что при скорости зарядки/разрядки 305С емкость падала всего лишь на 10% (по сравнению с емкостью при скорости зарядки/разрядки 1С), а при скорости 1017С падала всего на 25%. Для сравнения, в коммерческих никель-металл-гидридных аккумуляторах при скоростях зарядки/разрядки выше 35С емкость падает катастрофически (на 98–99%). Аналогичные результаты были получены и в случае катода для литий-ионных батарей.

Рис. 3. а) кривые разрядки при различных скоростях. b) кривые зарядки при постоянном потенциале (0,45 В относительно н.к.э.) и кривая разрядки при скорости 6С и постоянном потенциале после зарядки в течение различного времени. Кривая полной зарядки снята при скорости 1С.

Huigang Zhang, Xindi Yu & Paul V. Braun Three-dimensional bicontinuous ultrafast-charge and -discharge bulk battery electrodes. – Nature Nanotechnology. – 6. – P. 277–281 (2011); doi:10.1038/nnano.2011.38; Published online 20 March 2011.