Исследователи из США продемонстрировали, что ультратонкая графитовая пена может использоваться в качестве принципиально нового типа катода в литий-ионных аккумуляторах. Легкая и хорошо проводящая пена оказывается электрохимически стабильнее веществ, применяемых на сегодняшний день. Кроме того, ее можно легко и дешево изготовить, соответственно, пена может уже в ближайшем будущем начать конкурировать с такими распространенными катодными материалами, как алюминиевая и никелевая фольга.

В современных литий-ионных аккумуляторах катоды, обеспечивающие передачу электронов от топливной ячейки до внешней цепи, обычно изготавливаются из алюминиевой или никелевой фольги порядка 20 – 30 мкм толщиной. Но, несмотря на высокую производительность, алюминиевая фольга не может эффективно собирать электроны из-за своей плоской структуры, ограничивающей плотность мощности всей батареи, построенной на основе этого материала.

Данная проблема еще больше усугубляется для толстых катодов, которые порой применяются для увеличения плотности энергии аккумулятора. Кроме того, алюминий коррозирует во многих растворах электролитов, что приводит к медленной саморазрядке и общему «старению» аккумулятора.

Как утверждают американские ученые,

альтернативой алюминию и никелю может стать сверхтонкий графит в виде графитовой пены. В своей последней работе группа ученых из University of Texas (США) исследовала взаимодействие ультратонкого графита и фосфата лития железа (LFP) в рамках процесса, во многом напоминающего процесс производства литий-ионных аккумуляторов.

В ходе экспериментов ученые обнаружили, что ультратонкий графит не страдает от большинства недостатков алюминиевой или никелевой фольги. Этот материал представляет собой взаимосвязанную сеть хорошо проводящих перемычек из графита (плотность которых 1,3*10⁵ см^-1 при комнатной температуре), в значительной степени содействующих передаче электронов проводимости внутри катода и, соответственно, повышению плотности мощности аккумулятора.

Сверхлегкая пена может выдержать большую плотность энергии и мощности, чем обычные электронные материалы, такие как алюминий и никелевая фольга. Поскольку отношение площади поверхности к объему ультратонкого графита является крайне высоким по сравнению с его массой (вещество имеет плотность порядка 9,5 мг/см³), для производства катодов требуется гораздо меньше материала, по сравнению с эквивалентной массой необходимой алюминиевой фольги. Плотность энергии, таким образом, также увеличивается. Подсчеты показали, что

максимальная удельная мощность ультратонкого графита на 23% выше аналогичного показателя для алюминия и на 170% – того же параметра для никеля.

Но и это не все особенности графитовой пены. Исследования показали, что

ультратонкий графит является крайне стабильным в таких электролитах, как LiPF₆, при потенциалах до 5В. Это означает, что батареи, созданные с помощью этого материала, не будут подвержены коррозии и, следовательно, процессу саморазряда. Это особенно хорошая новость для пользователей устройств, работающих при высоких напряжениях, в частности, электрических и гибридных автомобилей. По мнению исследователей, разработанные ими катоды из графитовой пены могут быть использованы именно в таких приложениях.

В ближайшем будущем команда планирует провести оптимизацию размера пор и толщины стенок ультратонкого графита для еще большего повышения мощности и плотности энергии. Если процесс усовершенствования закончится успехом (в чем сами ученые не сомневаются), ультратонкий графит найдет свое применение и в других приложениях, например, в топливных элементах и суперконденсаторах.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nano Letters.