Аккумулятор с "гранатной" структурой. Концептуальная иллюстрация Стэнфордского университета и лаборатории SLAC National Accelerator

Ученые из Стэнфордского университета и лаборатории SLAC National Accelerator при Министерстве энергетики США смогли решить проблему быстрой деградации анодов из кремния — перспективного материала, позволяющего хранить в батарее в 10 раз больше заряда по сравнению с графитовым анодом.

Исследователи уже давно пытаются создать надежный кремниевый электрод с длительным сроком действия. Во время зарядки и разрядки хрупкий кремниевый анод расширяется и сужается, из-за чего быстро трескается и разламывается. Чтобы решить проблему, ученые предложили создать анод из настолько малых частиц кремния, чтобы им уже не на что было разламываться. Кроме того, они поместили эти наночастицы в углеродную оболочку большего размера в сравнении с самой частицей, таким образом предоставив им пространство для расширения, происходящее во время зарядки.

Используя специальную микроэмульсию, ученые собрали микрочастицы с оболочкой в группы и поместили их в еще одну, более толстую "скорлупу" из углерода. В результате получилась структура, напоминающая гранат. Каждая батарея содержит множество таких "гранатов". "Такая структура обеспечивает свободное протекание электрического тока", — пояснили исследователи.

Кроме того, в ходе экспериментов удалось выяснить, что аккумулятор с "гранатной" структурой обладает более длительным по сравнению с предыдущими аналогичными проектами жизненным циклом: он сохраняет 97% емкости спустя 1 тысячу циклов перезарядки. Это делает элемент пригодным для коммерческой эксплуатации, заявили ученые. Новая структура помогла решить и еще одну проблему. Во время эксплуатации батареи с кремниевым анодом в результате реакции с электролитом на электроде образуется клейкая субстанция, которая снижает производительность. В "гранатной" структуре площадь соприкосновения частиц с электролитом в 10 раз меньше, и субстанции также образуется гораздо меньше.

 

Наночастицы напоминают зерна в гранате (слева — до зарядки, справа — после зарядки). Иллюстрация Стэнфордского университета и лаборатории SLAC National Accelerator

По словам руководителя проекта Йи Куи, несмотря на значительный прогресс, о выводе новых батарей на коммерческий рынок говорить пока рано, так как необходимо решить еще две важные проблемы. Во-первых, нужно упростить процесс производства описанных анодов. Во-вторых, нужно найти дешевый источник кремниевых наночастиц. Одним из таких источников может быть рисовая шелуха, которая не используется в пищевой промышленности и на 20% состоит из диоксида кремния.