+7 (499) 500-91-45
+7 (30-262) 4-13-60

Литий-ионные батареи получат большую эффективность благодаря кремнию, германию, углеродным нанонаполнениям

Члены Института ядерной физики им. Д.В. Скобельцына и сотрудники химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова разработали новый материал на основе кремния и германия, который мог бы значительно увеличить удельные характеристики литий-ионных батарей. Результаты исследования были опубликованы в Journal материалов ХИМИИ .

Видная микрофотография срединного среза, изображающая структуру нанонасоса / кремния / нанонаполнения.

Литиево-ионные аккумуляторы являются наиболее популярным типом системы хранения энергии для современных электронных устройств. Они состоят из двух электродов — отрицательных (анодных) и положительных (катодных), которые помещаются в герметичную оболочку. Пространство между ними заполнено пористым сепаратором, погруженным в литий-ионный электролитный раствор. Сепаратор предотвращает короткое замыкание между биполярными электродами и обеспечивает объем электролита, необходимый для переноса ионов. Электрический ток во внешней цепи генерируется, когда ионы лития извлекают из анодного материала и перемещаются через электролит с дальнейшим введением в материал катода. Однако удельная емкость литий-ионной батареи в значительной степени определяется количеством ионов лития, которые могут быть приняты и переданы активными  Анода и катода.

Ученые разработали и изучили новый анодный материал, который позволяет значительно увеличить энергоэффективность литий-ионных батарей. Материал подходит для использования как в литрах, так и в тонкопленочных литий-ионных батареях.

Физик Виктор Кривченко, один из авторов, говорит: «В настоящее время большое внимание уделяется разработке анодных материалов на основе кремния и германия. При взаимодействии с ионами лития эти элементы способны генерировать сплавы, удельная емкость которых теоретически превосходит удельную емкость графита , традиционный анодный материал, используемый в современных  «.

Вид сверху микрофотографии кремния (сверху) и германия (ниже) на поверхности углеродных нанополей.

Среди всех известных анодных материалов кремний обладает самой высокой литиевой гравиметрической емкостью, теоретически достигая до 4200 мАч / г. Это делает его наиболее перспективным материалом для батарей с улучшенной плотностью энергии. Германий дороже и имеет меньше гравиметрической способности, чем кремний. Однако лучше проводить ток. Более того, диффузия  внутри германия на несколько порядков выше, чем внутри кремния. Эти особенности германия дают существенное увеличение плотности мощности батареи без значительного изменения объема.

Основная проблема электродных материалов заключается в том, что их структура подвергается значительному ухудшению в циклическом процессе зарядки и разрядки, что приводит к отказу батареи. Ученые предлагают решить эту проблему с помощью наноструктурированных материалов и разработки композиционных материалов, в которых углеродные наноструктуры могут применяться в качестве стабилизирующих матриц. Переход от традиционного двумерного к трехмерному распределению активного материала на поверхности электрода можно рассматривать как альтернативное решение.

Виктор Кривченко говорит: «Основной новизной проекта является идея использовать матрицу, образованную плазмообразующими углеродными структурами с очень сложной поверхностной архитектурой для реализации анодных материалов на основе кремния и германия с желаемыми структурными и функциональными свойствами. состоят из плотной матрицы графеноподобных нанополей, вертикально ориентированных на поверхность металлической подложки ».

Ученые применили метод магнетронного распыления, обеспечив гомогенное покрытие нанонасыщенных поверхностей слоями кремния или германия толщиной от 10 до 50 нм. В то же время окончательная структура композитного  может состоять из одного или чередующихся слоев активного материала. Было показано, что полученная трехмерная архитектура обеспечивает высокую удельную емкость и повышает стабильность конкретных характеристик анодов на основе кремния и германия.

Ученый говорит: «Результаты исследований могли бы технологически подкреплять дальнейшую разработку перспективных электродных материалов для систем хранения энергии нового поколения. В рамках проекта ученые добились результатов мирового уровня в области применения новых наноструктурированных материалов, С разработкой и изучением их электрохимических и физико-химических свойств. В исследованиях были представлены новые экспериментальные данные, касающиеся поведения наноструктур в электрохимических системах ».

Ориг.статья на англ.яз: https://phys.org/news/2017-08-lithium-ion-batteries-efficiency-due-silicon.html#jCp