10 марта 2013
Уже более десяти лет ученые пытаются улучшить батареи на основе лития, заменив графит анода кремнием, который может хранить в 10 раз больше энергии. Но после нескольких циклов зарядки / разрядки, структура кремния будет трескаться и рассыпаться, что делает батареи бесполезными.
Команда ученых во главе с Юи Цуи (Yi Cui) из Стэнфордского университета и SLAC нашла решение: наноструктура с двойными стенками, которая выдерживает более 6000 циклов, что гораздо больше, чем необходимо для использования ее в электрических транспортных средствах или мобильной электроники.
Литий-ионные батареи широко используются для питания устройств от электрических транспортных средств до портативной электроники потому, что они могут хранить достаточно большое количество энергии в относительно небольшом объеме. Батарея работает с потоком ионов лития в жидкости электролита между анодом и катодом.
Использование кремния в качестве анода в этих батарей связано с процессом присоединения ионов лития к аноду. До четырех ионов лития связываются с каждым из атомов кремния анода — по сравнению с одним на каждые шесть атомов углерода в графитовом аноде сегодняшних батарей, что позволяет хранить гораздо больше заряда.
Однако, это приводит к увеличению объема анода в четыре раза от его первоначального объема. Более того, некоторые из видов электролита реагируют с кремнием, препятствуя дальнейшей зарядке.
За последние пять лет, группа Цуи постепенно улучшила стойкость кремниевых анодов, делая их из нанопроволоки, а затем из полых наночастиц кремния. Их последняя конструкция состоит из кремниевых нанотрубок с двойной стенкой, покрытых тонким слоем оксида кремния.
Цуи утверждает, что будущие исследования будут направлены на упрощение процесса изготовления двойной стенки кремниевыхнанотрубок. Другие ученые из группы разрабатывают новые высокопроизводительные катоды для сочетания с новыми анодами, чтобы создать батарею, производительность которой будет в пять раз превышать литий-ионные технологии сегодняшнего дня.
В 2008 году Цуй основал компанию Amprius, которая получила лицензию на патенты Стэнфорда и кремниевые технологии нанопроволочного анода. Его ближайшей целью является производство батареи с двойной плотностью энергии по сравнению с сегодняшними литий-ионными батареями.