Батареи из кремния в потенциале могли бы быть в 10 раз более емкими, чем литий-ионные, но проблема в том, что аноды из этого материала в результате постоянного накопления и отдачи заряда разрушаются гораздо быстрее, чем графитовые. Ученые из США провели первое в своем роде исследование и выяснили, почему кремний ведет себя таким образом и как этого избежать.

В ходе цикла заряда и разряда ионы лития перемещаются взад и вперед между анодом и катодом по жидкому электролиту. Когда ионы попадают в кремниевый анод, они расталкивают атомы кремния. От этого анод раздувается в три-четыре раза от своего первоначального размера. А когда ионы лития покидают анод, они оставляют после себя пустые пространства, рассказывает New Atlas.

При помощи модифицированного просвечивающего электронного микроскопа ученые из Тихоокеанско-северозападной национальной лаборатории записали молекулярную активность внутри литиевой батареи с анодом из лития в момент зарядки и разрядки. Это показало им, что оставленные после ионов лития пространства становятся с каждым циклом все больше из-за проникновения туда жидкого электролита. В результате возникают «мертвые зоны», из-за которых анод теряет свою производительность. Этот процесс заметен уже после первого цикла, после 36-го его способность удерживать заряд существенно снижается, а после 100-го анод уже разрушен.

Исследователи установили, что для решения проблемы следует сформировать твердую оболочку, которая смогла бы изолировать кремний от проникновения в его структуру электролита. И предложили два варианта: либо добиться самостоятельного образования оболочки на кремнии, что потребует постепенных модификаций жидкого электролита. Либо можно нанести умное покрытие на кремний.

Теперь ученые занялись интенсивным поиском материала для такой оболочки, но сколько он займет времени, предсказать невозможно.

Между тем первую твердотельную батарею с анодом из кремния уже разработали в США. Инженеры объединили две технологии, чтобы добиться высокого уровня безопасности, долгого срока службы и значительной плотности энергии.