Намери начин да увеличи капацитета на литиево-йонните батерии с 10 пъти

По света десетки научни групи търсят възможности за значително увеличаване на капацитета на литиево-йонните батерии. Въвеждането на силиций в структурата се счита за обещаваща посока, но неговата крехкост, крехкост на съединения на негова основа и други проблеми не позволяват това дълго време.

Но изглежда учените в Япония са успели да намерят решение на проблема със силиция. Те излязоха с нов дизайн на анода, направен от наноразмерни силициеви дъги, които дават необходимата здравина и издръжливост.

Съвременни литиево-йонни батерии и техните недостатъци

И така, за начало само няколко думи за това как работят литиево-йонните батерии. Така че, както знаете, батерията се състои от двойка електроди (катод и анод) и електролитен разтвор. Така че основната задача на електролита е пренасянето на литиеви йони между катода и анода, който е направен просто от графит.

Така че, по време на зареждане на батерията, литиевите йони се движат по пътя катод-разтвор-анод. В процеса на разреждане движението на йони се случва в обратна посока.

Този дизайн се е доказал добре и е работил повече от дузина години. Но основният недостатък на цялата тази дебъгвана конструкция е, че шест въглеродни атома трябва да се използват наведнъж в графитния анод за съхраняване на един литиев йон. Поради тази причина тези батерии имат ниска енергийна плътност.

Силиций и неговите приложения

Независимо от това, ако разгледаме такъв материал като силиций, тогава един от атомите му е в състояние да се свърже с четири литиеви йона наведнъж, което дава почти 10-кратно увеличение на енергийната плътност. Изглежда всичко е наред, но учените все още не са успели да стабилизират силиция.

Тъй като е склонен към значително разширяване (до 400% от първоначалния обем), контракции и счупване по време на работа на батерията, тогава всички тези деформационни ефекти разрушават силициевите аноди достатъчно бързо.

Изследователски екип от Института за висши технологии и технологии в Окинава (OSIT) предложи своето решение на проблема със стабилизирането на силициевия анод. Инженерите извършиха цяла гама експерименти със слоеве силиций с различна дебелина в търсене на златна среда, в които ще бъдат изпълнени условията на висока енергийна плътност и стабилност на батерията.

Учените са установили, че с увеличаване на силициевия слой първо се увеличава твърдостта, а след определен момент се наблюдава рязък спад. Решено е да се проучи по-подробно причината за такъв преход и това е, което учените са успели да установят.

Оказа се, че когато силицият се отлага върху метални наночастици, започват да се образуват мънички колони под формата на обърнати конуси, които се удебеляват към върха.

Оказва се, че с отлагането на все по-голям брой силициеви атоми и съответно с растежа на стълбовете те стават толкова широки, че се допират помежду си и по този начин образуват сводеста структура на нанометър мащаб.

Такава структура е доста здрава и дори се използва от хората в строителството. И се оказва, че преди да се образуват тези нано арки, структурата е доста слаба и още по-големият им растеж създава гъбеста структура с дупки, което не е толкова ефективно.

И само в момента на образуването на такива арки се създава баланс, който дава възможност да се осигури увеличен капацитет на зареждане и е в състояние да издържи голям брой цикли на зареждане / разреждане.

Все още не е известно кога новите литиево-йонни батерии със силициев анод ще влязат в продажба, но фактът, че тази посока е обещаваща, може да бъде разпознат още на този етап.

Хареса ли ви материалът? След това поставете пръста си нагоре и се абонирайте за канала. Благодаря за вниманието!