Электрод с наночастицами кремния, сгруппированными подобно семенам граната в жесткой углеродной коре, решает ряд проблем, которые препятствуют использованию кремния в литий-ионных батареях нового поколения.

Нанокластеры сгруппированы подобно семенам граната. Об этом сообщили изобретатели новой структуры из Стэнфордского университета и Национальной лаборатории акселератора при Министерстве энергетики.

«Хотя остаются другие проблемы, новый проект приближает нас к использованию кремниевых анодов в меньших, более легких и мощных батареях для таких устройств как мобильные телефоны, планшеты и электрические автомобили», сообщил доцент И Чуи, возглавивший исследование.

Результаты опубликованы в издании Nature Nanotechnology.

«Эксперименты показали, что новый анод, проект которого воссоздан по образу граната, работает с 97%-ной эффективностью даже спустя 1000 циклов зарядки и разрядки, что лежит в диапазоне, удачном для коммерциализации технологии», отметил ученый.

Анод — это отрицательный электрод, в котором энергия сохраняется, когда батарея заряжается. Кремниевые аноды способны хранить в 10 раз больший объем заряда, нежели современные графитовые. Однако есть у кремния и недостаток: он слишком ломок, легко раздувается и крошится в процессе зарядки, а также вступает в реакцию с электролитом, формируя примесь, которая покрывает анод и сокращает эффективность работы.

В течение последних 8 лет группа под руководством Чиу работала над проблемой поломки анода с использованием кремниевых наночастиц или нанопроводов, которые и так слишком малы, чтобы разрушаться на более мелкие компоненты. Наночастицы упаковывались в некое подобие «яичного желтка», то есть в формирование, в котором они могли свободно раздуваться и сокращаться во время зарядки.

В новом исследовании аспирант Нянь Лю и постдок Чжень Да Лю применили микроэмульсионную технологию, традиционно используемую в нефтяной, лакокрасочной и косметической промышленности, чтобы собрать кремниевые частицы в желтках в кластеры, и покрыли каждый такой кластер вторым, более толстым слоем углерода. Эти углеродные корки скрепили кластеры и обеспечили путь для электрического тока.

Поскольку каждый кластер соприкасается с электролитом лишь одной десятой частью поверхности, то и примеси формируется меньше в 10 раз.

Хотя кластеры слишком малы, чтобы их можно было разглядеть по отдельности, вместе они составляют заметный черный порошок, который можно использовать для покрытия фольги и создания анода. Лабораторные испытания показали, что «гранатовый» анод с толщиной, необходимой для коммерческого применения, работает хорошо.

Теперь ученым предстоит решить еще два проблемы для того, чтобы технологию можно было коммерциализировать: необходимо упростить процесс и найти более дешевый источник кремниевых наночастиц. Один из потенциальных источников — рисовая шелуха, которая непригодна в пищу, производится миллионами тонн, и содержит дикосид кремния в объеме до 20% веса. По словам Лю, получить из рисовой шелухи наночастицы кремния достаточно легко. Процесс описан в издании Scientific Reports.