Новые электроды и графен улучшат литий-ионные аккумуляторы

Электроды из новых материалов и углеродные наноструктуры позволят создавать более мощные и долговечные аккумуляторы,а графеновые наностенки защитят их от разрушения после многих циклов заряда и разрядки.. Сотрудники Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына вместе, МГУ имени М.В. Ломоносова, Университета Дубна и Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева (Казахстан) использовали кремний и германий для того, чтобы сделать ионы подвижнее. Результаты работы опубликованы в Journal of Materials Chemistry A.

Литий-ионные аккумуляторы — наиболее часто используемый тип накопителей энергии в современных электронных устройствах. Такие аккумуляторы состоят из двух электродов: отрицательного (анода) и положительного (катода). Пространство между ними заполнено пористым сепаратором, пропитанным электролитом — растворенной литиевой солью. Сепаратор предотвращает короткое замыкание между электродами и обеспечивает необходимый для высокой ионной проводимости запас электролита. Электрический ток возникает, когда ионы лития движутся из вещества анода через электролит в вещество катода. При этом энергоемкость во многом определяется количеством ионов лития.

Ученые разработали и исследовали новый анодный материал, позволяющий заметно повысить энергоэффективность литий-ионных аккумуляторов, в том числе используемых в тонкопленочных приложениях.

«Сегодня большое внимание уделяется разработке анодных материалов на основе таких элементов, как кремний (Si) и германий (Ge). Эти элементы при взаимодействии с ионами лития способны образовывать сплавы, теоретическая энергоемкость которых значительно превышает емкость графита — традиционного анодного материала современных литий-ионных аккумуляторов», — рассказал Виктор Кривченко, соавтор статьи, старший научный сотрудник лаборатории физики плазмы и физических основ микротехнологии НИИЯФ МГУ.

Из всех известных анодных материалов у кремния наибольшая теоретическая литиевая емкость, она достигает 4200 мАч/г. Это делает кремний наиболее перспективным материалом для аккумуляторов. В свою очередь, более дорогой и менее емкий германий лучше проводит электрический ток: перенос ионов лития в нем протекает на несколько порядков интенсивнее. Такие особенности германия позволяют значительно увеличить мощность литий-ионных аккумуляторов без существенного изменения их объема.

Основная проблема электродных материалов заключается в том, что их структура разрушается в цикличном процессе заряда и разрядки, что приводит к выходу литий-ионного аккумулятора из строя. Ученые предлагают решить эту проблему с помощью перехода к наноструктурированным материалам и создания композитных материалов, где в качестве стабилизирующей матрицы могут выступать различные углеродные наноструктуры.

«Главная новизна представленной работы заключается в том, что для реализации анодных материалов с требуемыми свойствами использовалась матрица, сформированная плазмохимически синтезированными углеродными структурами с очень развитой поверхностью, — рассказал Виктор Кривченко. — Такие структуры представляют собой плотный массив графеноподобных наностенок, ориентированных перпендикулярно к поверхности металлической подложки».

В ходе работы ученые использовали метод магнетронного напыления, что позволило им однородно покрыть поверхность наностенок слоем кремния или германия толщиной 10–50 нанометров. При этом конечная структура композитного анода может состоять как из одного слоя активного материала, так и из чередующихся слоев. В результате было показано, что полученная трехмерная архитектура позволяет достигнуть высокой удельной емкости и повышает стабильность удельных характеристик анодов на основе кремния и германия.

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (1 vote)
Источник(и):

indicator.ru