Технология, которая могла бы значительно увеличить запас хода и сократить время зарядки аккумуляторов электромобилей, вскоре может появиться во многих других автомобилях. Технология заменяет графит, обычно используемый на отрицательно заряженных анодах литий-ионных аккумуляторов электромобилей, на кремний.
В 2023 году было продано более 14 миллионов электромобилей, и ожидается, что в ближайшие годы их популярность будет расти. В настоящее время в этих автомобилях используются высокопроизводительные литий-ионные аккумуляторы. Хотя эти батареи становятся лучше с каждым днем, некоторые препятствия по-прежнему ограничивают их удобство и удобство использования.
Способность аккумулятора хранить энергию в зависимости от его размера и веса, известная как плотность энергии, является ключевым фактором для электромобилей, поскольку она влияет на расстояние, которое они могут преодолеть на одном заряде.
Другими словами, если автомобиль не может проехать достаточное расстояние между зарядками, для многих потребителей это недопустимо. Так почему же новый кремниевый анод оказывает такое сильное влияние на запас хода и время зарядки?
Батареи основаны на движении заряженных частиц, известных как ионы, между электродами или двумя электрическими проводниками. Во время зарядки ионы лития перемещаются от положительного электрода (катода) через проводящий раствор, называемый электролитом, к отрицательному электроду (аноду), где они сохраняются до тех пор, пока не потребуется энергия.
Когда батарея обеспечивает питание устройства, ионы лития возвращаются от анода к катоду. Это движение ионов позволяет электронам течь через внешнюю цепь, генерируя электрический ток, который питает устройство.
Поскольку ионы сохраняются на аноде до тех пор, пока они не потребуются для питания автомобиля, материал анода играет решающую роль в работе аккумулятора.
Хороший анодный материал должен обладать высокой емкостью хранения лития, чтобы обеспечить высокую плотность энергии, хорошей электропроводностью, чтобы способствовать эффективному потоку электронов, и быстрым транспортом ионов для быстрой зарядки.
Традиционно в литий-ионных батареях используются графитовые аноды. Слоистая структура этого проводящего материала означает, что ионы могут перемещаться в анод и из него без существенного изменения его объема.
Однако благодаря своему химическому составу кремний может содержать более чем в десять раз больше энергии на грамм.
Более высокая емкость означает, что кремний может хранить больше ионов лития, что приводит к более высокой плотности энергии батареи. Более высокая плотность энергии означает больший запас хода для электромобилей на одном заряде.
К сожалению, при наполнении ионами лития кремний разбухает в три-четыре раза по сравнению с первоначальным размером, что приводит к механическому напряжению и возможной деградации материала анода.
Поэтому тщательное наноразмерное проектирование кремниевого анода имеет решающее значение для решения этой проблемы.