Исследователи Института электродвижения МФТИ предложили технологичное и простое решение для многократного повышения срока службы литий-ионных аккумуляторов с кремниевым анодом высокой емкости. Замена цельной токосъемной подложки на микроперфорированную медную фольгу обещает резко снизить затраты и расширить выпуск компактных энергоемких батарей. Научная работа освещена в Journal of Composites Science.
Без литий-ионных батарей невозможна работа электрокаров, беспилотников и портативной техники. Однако их емкость близка к потолку, спрос же на энергию непрерывно растет.
Превосходство кремния и его вызовы
Преодоление существующего барьера достижимо при замене графита на кремниевый анод. Он обладает десятикратно большей теоретической емкостью, обеспечивает быстрый заряд, устойчивость к холодам и миниатюризацию. Но его массовому применению препятствует стремительный износ: поглощая и высвобождая ионы лития, кремний экстремально расширяется (в 3-4 раза) и сжимается, что ведет к порче анода и отказу аккумулятора.
Гениальное упрощение от ученых МФТИ
Команда МФТИ совершила революционное упрощение. Они сохранили материал анода, но изменили подложку для снятия тока, внедрив перфорированную медную фольгу с микроотверстиями (250-500 мкм).
«Хотя продлить жизнь кремний-анодных батарей можно экзотическими трехмерными подложками, их производство дорого и сложно, – пояснил Валерий Кривецкий, глава лаборатории хим. источников тока МФТИ. – Наш метод – это структурирование токосъемника микроперфорацией до нанесения активного слоя. Так формируется трехмерный анодный композит, пронизывающий металл. Он значительно стабильнее обычного плоского варианта».
Четырехкратный рост и восхитительные результаты
Опытным путем доказано: перфорированный токосъемник сохраняет 60-90% емкости Si-анода после 100 циклов перезаряда в сравнении с цельными аналогами. Итог не меняется даже при четырехкратном усилении разрядного тока. При этом меньший размер отверстий улучшает стабилизацию!
Механизм стабилизации: от гипотезы к оптимизму
«Точный механизм стабилизации работой микроструктуры мы продолжаем исследовать, – сообщила Олеся Каракулина, старший науч. сотрудник МФТИ. – Вероятно, стабильности способствуют и механические свойства взаимопроникающей конструкции, и глубокое смачивание электролитом, и эффективное распределение связующего. Ключевую роль могут играть кремний-графитовые "стежки", проникающие в отверстия и обеспечивающие прочный контакт между слоями».
Путь к рынку: простота и перспективы
Технология готова к внедрению прямо сейчас! Ученые сознательно применяли только доступные компоненты и серийное оборудование.
«Следующий шаг – масштабирование, тесты анодов с повышенным содержанием Si и запуск производства суперемких батарей с увеличенным ресурсом в стенах нашего института», – поделился планами аспирант, первый автор публикации Шахбоз Исокжанов.
Информация предоставлена пресс-службой МФТИ
Источник фото: ru.123rf.com
Источник: scientificrussia.ru