В Японии разрабатывают кремниево-танталовый супераккумулятор
Москва, 10:41, 07 Сен 2017, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.
В мире растет потребность во все более высокопроизводительных батареях. Литий-ионные аккумуляторы (LIB) питают большую часть нашей портативной электроники, но они легко воспламеняются и могут даже взрываться, как это случилось с последней моделью смартфона.
Для предотвращения таких аварий текущее решение заключается в инкапсулировании анода — отрицательного (-) электрода батареи, противоположного катоду (+), — в графитную раму, таким образом изолируя ионы лития. Однако этот корпус ограничен небольшим масштабом, чтобы избежать физического коллапса, поэтому ограничена и емкость — количество энергии, которое вы можете хранить в батарее.
Кремний предлагает большие преимущества перед углеродным графитом для литиевых батарей с точки зрения емкости. Шесть атомов углерода необходимы для связывания одного атома лития, но атом кремния может одновременно связывать четыре атома лития, умножая емкость батареи более чем в 10 раз.
Однако многие ионы лития означают, что объем анода набухает на 300-400%, что приводит к разрыву и потере структурной целостности. Чтобы преодолеть эту проблему, японские исследователи сообщили в Advanced Science о конструкции анода, построенного на наноструктурированных слоях кремния для сохранения преимуществ кремния при предотвращении физического коллапса.
Новая батарея также направлена на повышение мощности
Идея создания нового анода на наночастицах – детище конструкторского подразделения в Университете науки и техники Окинавы. Слои неструктурированных кремниевых пленок осаждаются альтернативно с наночастицами из танталового металла, приводя к тому, что кремний зажат в рамке тантала.
Результатом этого исследования является анод с более высокой мощностью, но сдерживающий набухание и с отличной цикличностью — количеством циклов, в которых аккумулятор можно заряжать и разряжать до потери эффективности.
Ученые выяснили, что кремний проявляет большую пористость с зерноподобной структурой, в которой ионы лития могут двигаться на более высоких скоростях по сравнению с неструктурированным, аморфным кремнием, что объясняет увеличение мощности. В то же время присутствие кремниевых каналов вдоль нанокластеров танталовых наночастиц позволяет ионам лития диффундировать во всей структуре. С другой стороны, металлический корпус из тантала, одновременно сдерживая набухание и улучшая структурную целостность, также ограничивает общую мощность — на данный момент.
Тем не менее, эта разработка в настоящее время находится только на стадии доказательства концепции, открывая двери для многочисленных возможностей улучшения мощности наряду с увеличением емкости.
