Российские ученые построили компьютерную модель электрохимической ячейки литий-ионной микробатареи. Это ячейка маленького размера и низкой стоимости, при этом емкость накопленной энергии батареи в 10 раз больше, чем у аналогичных устройств. Теперь исследователи начали работу по созданию и испытанию экспериментального образца.

Статья опубликована в журнале Materials Science and Engineering.

Сотрудники Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН и Уральского федерального университета смоделировали высокоэффективную электрохимическую ячейку литий-ионной батареи. Добиться уникальных свойств удалось за счет использования в качестве анодного элемента двухслойного силицена на графитовой подложке, а также твердого электролита.

«Отличие нашей работы в том, что мы исследовали не свободностоящий, так называемый “голый” силицен, которому посвящено большинство теоретических научных работ, а ультратонкие подложки, в отдельности от которых силицен в настоящее время получить невозможно. Как подложку для силицена мы использовали множество материалов, в том числе серебро, никель, медь, алюминий. Выяснилось, что наиболее подходящий вариант — графитовая подложка, так как связь между силиценом и графитом достаточно слабая, поэтому графит не оказывает сильного влияния на двумерный кремний, и он во многом сохраняет свойства свободностоящего силицена», — рассказывает руководитель исследовательской группы Александр Галашев.

В сочетании с графитовой подложкой силицен склонен к металлизации. В нем появляется небольшая электронная проводимость, что делает использование силицена в ячейках литий-ионных батареей еще более целесообразным. Еще одно преимущество разработки — ее твердотельная конструкция.

Ученые испытали жидкий и твердый электролит. Особенность жидкого электролита — в его высокой электропроводности, однако при долгой работе батареи в жидком электролите образуются вытянутые цепочки металла, это может привести к короткому замыканию и воспламенению устройства. Электропроводность твердого электролита на один-два порядка меньше, зато он абсолютно безопасен. Более совершенный анод компенсирует пониженную электропроводность электролита.

В целом электропроводность разработанной ячейки оказалась достаточно высокой, ее теоретическая емкость — 3500 мАчг^-1. Следовательно, заряжаться готовая батарея, состоящая из нескольких сотен таких электрохимических ячеек, будет очень быстро. Исследование важно для использования батарей в автомобильной промышленности. Литий-ионные аккумуляторы показали себя не менее перспективными, чем водородные топливные элементы, однако на сегодня их зарядка занимает в лучшем случае три-пять часов.