Ученые из Китая и США создали технологию для одностадийного синтеза алюминиевых наночастиц («желтка»), заключенных в оболочку из оксида титана («скорлупы»). Роль «белка» в этой структуре играет очень разбавленный раствор серной кислоты. Такую систему предполагается использовать в качестве электродов для литий-ионных батарей. Работа опубликована в Nature Communications.

В качестве основы будущего «яйца» авторы использовали коммерчески доступный порошок алюминия с диаметром частиц около 50 нанометров. Его помещали в одномолярный раствор серной кислоты, предварительно насыщенной сульфатом титанила (TiOSO4). Тонкая пленка оксида алюминия, покрывающая частицы порошка, растворялась в кислоте, при этом локально вокруг частиц повышалась концентрация воды. Это приводило к осаждению гидроокиси титанила из сульфата, которая образовывала прочный каркас («скорлупу»), отделяя алюминиевый «желток» от основной массы раствора. Оставшаяся внутри кислота («белок») тратилась на растворение алюминия, поэтому окончательно размер «желтка» был в несколько раз меньше общей полости «яйца». Готовые частицы сушили в атмосфере аргона.

Авторы анализировали строение и состав полученных структур при помощи сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, а также рентгеновской дифракции. Кроме того, измерялись электрохимические показатели электродов, созданных на их основе.

Схема синтеза наночастиц. Изображение: Sa Li et al./ Nature Communications

При скорости зарядки 10C (10 полных емкостей в час) на протяжении 500 циклов тестовые батареи демонстрировали емкость 650 миллиампер-часов на грамм. На скорости 1C емкость удалось увеличить почти вдвое — до 1200 миллиампер-часов на грамм.

Необычный дизайн наноструктур был обусловлен двумя серьезными недостатками алюминиевых электродов, до сих пор препятствующих их широкому распространению. Первый недостаток связан с тем, что при перезарядка объем алюминия изменяется почти в два раза. При этом во время уменьшения образуются многочисленные трещины, в которых необратимо связываются ионы лития, что приводит к очень малому времени жизни батареи. Второй недостаток связан с распылением материала электрода во время зарядки, что также сказывается на времени жизни.

Использование структуры наподобие яйца приводит к тому, что изменение объема алюминиевого ядра происходит внутри защитной скорлупы. По этой же причине распыление материала электрода не препятствует потере контакта с окружающей средой. Толщина скорлупы менее пяти нанометров обеспечивает достаточную диффузию ионов лития, поэтому это практически не сказывается на емкости и времени зарядки.

Алюминиевые электроды потенциально обладают рядом больших преимуществ. Низкая стоимость в сочетании с большой проводимостью и высокой теоретической емкостью делает этот материал перспективным кандидатом на создание недорогих и долговечных литий-ионных аккумуляторов.