Футуристические достижения в области искусственного интеллекта и здравоохранения привлекли пристальное внимание на технологической выставке Consumer Electronics Show (CES) 2024. Тем не менее, в основе этих инноваций лежит технология аккумуляторных батарей, обеспечивающая более высокую энергоэффективность. Важно отметить, что именно в электромобилях эта технология применяется наиболее интенсивно.
Сегодняшние электромобили могут проехать около 700 км на одной зарядке, в то время как исследователи стремятся к запасу хода батареи в 1000 км. Исследователи изучают возможность использования кремния, известного своей высокой емкостью, в качестве анодного материала в литий-ионных батареях для электромобилей. Однако, несмотря на его потенциал, внедрение кремния в практическое использование остается нерешенной задачей, над которой исследователи все еще усердно работают.
Над этим работают Суджин Парк, кандидат наук Минджун Дже и доктор Хе Бин Сон с факультета химии Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH). Они разработали компактную и надежную систему литий-ионных аккумуляторов следующего поколения с высокой плотностью энергии с использованием микрочастиц кремния и гелевых полимерных электролитов. Данная работа опубликована в журнале Advanced Science.
Использование кремния в качестве материала аккумулятора сопряжено с определенными трудностями: он расширяется более чем в три раза во время зарядки, а затем сжимается до своего первоначального размера во время разрядки, что значительно влияет на эффективность аккумулятора. Использование наночастиц кремния частично решает эту проблему, но производственный процесс сложен и очень дорог.
Частицы кремния микроразмера, напротив, в высшей степени практичны с точки зрения стоимости и плотности энергии. Тем не менее проблема расширения более крупных частиц кремния становится более выраженной во время работы батареи, что накладывает ограничения на ее использование в качестве анодного материала.
Исследовательская группа применила гелевые полимерные электролиты для разработки экономичной, но стабильной аккумуляторной системы на основе кремния. Электролит в литий-ионном аккумуляторе является важным компонентом, облегчающим движение ионов между катодом и анодом. В отличие от обычных жидких электролитов, гелевые электролиты существуют в твердом или гелеобразном состоянии, характеризующемся эластичной полимерной структурой, обладающей лучшей стабильностью, чем их жидкие аналоги.
Исследовательская группа использовала электронный пучок для формирования ковалентных связей между частицами микрокремния и гелевыми электролитами. Эти ковалентные связи служат для рассеивания внутреннего напряжения, вызванного объемным расширением во время работы литий-ионного аккумулятора, смягчая изменения объема микрокремния и повышая структурную стабильность.
Результат был замечательным: батарея демонстрировала стабильную работу даже с микрочастицами кремния (5 мкм), которые были в сто раз больше, чем те, которые использовались в традиционных нанокремниевых анодах.
Кроме того, силикон-гелевая электролитная система, разработанная исследовательской группой, продемонстрировала ионную проводимость, аналогичную обычным батареям, использующим жидкие электролиты, с улучшением плотности энергии примерно на 40%. Кроме того, система имеет значительную ценность благодаря простому производственному процессу, готовому к немедленному применению.
Профессор Суджин Парк подчеркнул: «Мы использовали микрокремниевый анод, и у нас есть стабильная батарея. Это исследование приближает нас к реальной системе литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии».
