Наночастицы поднимут литий-ионные батареи на качественно новый уровень
Литий-ионные аккумуляторы вырабатывают электричество, перемещая ионы между двумя электродами — отрицательно заряженным катодом и положительно заряженным анодом. Но в своем нынешнем состоянии они растянуты до предела. Больше увеличивать потока ионов лития попросту нельзя из-за износа материала анода, который имеет тенденцию к разбуханию и сжатию во время зарядки и разрядки, что приводит к большему напряжению и сокращению срока службы батареи.
Ученые видят решение в виде частиц т.н. «оболочки желтка», которые улучшают способность к циклированию благодаря полым пустотам, приспосабливающимся к изменениям объема при зарядке и разрядке батареи, обеспечивая при этом стабильную внешнюю поверхность. Обмен анодного материала из металлического сплава на аналог из таких частиц долгое время рассматривался как перспективная альтернатива, но изготовление их экономически эффективным способом оказалось проблематичным.
«Специально спроектированные полые наноматериалы существует уже давно, и это в самом деле многообещающий подход для улучшения срока службы и стабильности батарей с высокой плотностью энергии», пояснил автор исследования Мэтью Макдауэлл из Технологического института Джорджии. «Проблема заключалась в том, что синтез таких наноструктур в больших масштабах, необходимых для коммерческого применения, является сложным и слишком дорогостоящим. Наше открытие предлагает более простой и упорядоченный процесс, который может привести к повышению производительности».
Открытие, сделанное Макдауэллом и его коллегами из Georgia Tech, ETH Zürich и Oak Ridge National Laboratory, начинается с крошечных частиц, в тысячу раз меньших ширины человеческого волоса. Исследователи обнаружили, что нанокристаллы сурьмы, покрытые оксидом, будут самопроизвольно «выдавливаться» во время зарядки аккумулятора, вместо того, чтобы расширяться и сокращаться, как ожидалось.
Этот механизм был подтвержден с помощью электронных микроскопов высокого разрешения. Оказалось, что сурьма включается в процесс через упругий оксидный слой, который позволяет материалу расширяться при поступлении ионов в анод, но при этом создает пустоты при удалении ионов, а не приводит к типичному усадочному поведению.
«Когда мы впервые увидели характерную полость, то сразу поняли, что она может оказать значительный эффект на производительность батареи», пишет Макдауэлл.
Хотя сами по себе наночастицы являются захватывающим открытием, перед командой стоит несколько проблем. Сурьма сама по себе дорога и по этой причине в настоящее время не используется в производстве аккумуляторных электродов. Тем не менее, ученые подозревают, что другие, более дешевые материалы, такие как олово, могут демонстрировать аналогичное поведение. В будущем они надеются изучить возможности большего числа материалов и провести исследования более крупных батарей, чтобы наконец разработать полноценный коммерческий аналог.