Наноструктурированные кремниевые губки увеличат емкость акуумуляторов

Специалисты из Национальной лаборатории Тихоокеанского северо-западного департамента энергетики США на днях представили свою новую разработку – конструктивный элемент, который должен будет увеличить емкость литий-ионных аккумуляторов почти вдвое. В отличие от других разработок в этой области, это достижение уже в скором будущем должно будет внедрено в технологию производства аккумуляторных батарей.

Суть разработки в улучшении электрических характеристик существующих литий-ионных аккумуляторов за счет введения в их структуру нового материала – наноструктурированного губчатого кремния.

Современный литий-ионный аккумулятор состоит из графитового электрода, электролита и второго электрода на основе оксида металла (оксида лития). При зарядке батареи ионы лития «перетекают» в графитовый электрод, а при разрядке процесс повторяется «до наоборот». При этом емкость батареи ограничена возможностями графита накапливать электрический заряд. 

Дело в том, что один атом графита может связаться только с одним ионом лития. Другое дело кремний, атом которого может связать до 4 ионов. При этом атомы кремния меньше чем атомы графита. Простое вычисление показывает, что аккумулятор с кремниевым анодом потенциально может иметь в 10 раз большую емкость, чем такой же по габаритам аккумулятор с графитовым электродом.

Правда и у кремния есть один существенный недостаток. При поглощении такого количества ионов лития атом кремния увеличивается в 4 раза. То есть теоретически можно предположить, что и батарея во время зарядки будет увеличиваться в объеме. А это конструктивно недопустимо.

Выход из ситуации нашли специалисты из Национальной лаборатории. Они использовали так называемый наноструктурированный кремний. Он имеет губчатую структуру и при поглощении ионов лития увеличивается в объеме всего на 30 %.

И хотя плотность энергии нового материала составляет 750 мА·ч/г, что всего в 2 раза больше плотности энергии графита, все равно новые аккумуляторы будут эффективнее старых. Увеличение емкости в 2 раза при неизменных габаритах – тоже существенное достижение.

Прототип нового аккумулятора уже прошел предварительные тестовые испытания в Национальной лаборатории, которые показали, что после 1000 циклов заряд/разряд батарея сохраняет больше 80 % своей первоначальной емкости. Что тоже очень неплохо.

Источник информации: ExtremeTech (http://www.extremetech.com/)