«Хотя остается несколько проблем, эта конструкция приближает нас к использованию кремниевых анодов в меньших, более легких и более мощных батареях для таких продуктов, как сотовые телефоны, планшеты и электромобили», — сказал И Цуй, доцент Стэнфордского и SLAC, возглавлявший исследование, опубликованное сегодня в Nature Nanotechnology.
«Эксперименты показали, что наш анод, вдохновленный гранатом, работает на 97% емкости даже после 1000 циклов зарядки и разрядки, что позволяет ему находиться в пределах желаемого диапазона для коммерческой эксплуатации."
Анод или отрицательный электрод — это место, где накапливается энергия, когда батарея заряжается. Кремниевые аноды могут хранить в 10 раз больше заряда, чем графитовые аноды в сегодняшних перезаряжаемых литий-ионных батареях, но у них также есть серьезные недостатки: хрупкий кремний разбухает и разваливается во время зарядки батареи, и он реагирует с электролитом батареи, образуя покрывающий слой грязи. анод и ухудшает его характеристики.
За последние восемь лет команда Куи решила проблему поломки, используя кремниевые нанопроволоки или наночастицы, которые слишком малы, чтобы разбиться на еще более мелкие кусочки, и заключая наночастицы в углеродные «желточные оболочки», которые дают им возможность набухать и сжиматься во время зарядки.
Новое исследование основывается на этой работе. Аспирант Нянь Лю и постдокторант Женда Лу использовали метод микроэмульсии, распространенный в масляной, лакокрасочной и косметической промышленности, чтобы собрать оболочки кремниевого желтка в кластеры, и покрыли каждый кластер вторым, более толстым слоем углерода.
Эти углеродные корки удерживают грозди граната вместе и обеспечивают прочную магистраль для электрических токов.
А поскольку каждый гранатовый кластер имеет только одну десятую площади поверхности отдельных частиц внутри него, гораздо меньшая площадь подвергается воздействию электролита, тем самым уменьшая количество образующегося мусора до приемлемого уровня.
Хотя кластеры слишком малы, чтобы их можно было увидеть по отдельности, вместе они образуют мелкий черный порошок, который можно использовать для покрытия куска фольги и формирования анода. Лабораторные испытания показали, что гранатовые аноды работают хорошо, если они сделаны такой толщины, которая необходима для коммерческих характеристик батарей.
По словам Куи, хотя эти эксперименты показывают, что методика работает, команде придется решить еще две проблемы, чтобы сделать ее жизнеспособной в коммерческом масштабе: им нужно упростить процесс и найти более дешевый источник наночастиц кремния. Один из возможных источников — рисовая шелуха: она непригодна для употребления в пищу, ее производят миллионы тонн и 20 процентов диоксида кремния по весу.
По словам Лю, они могут быть относительно легко преобразованы в чистые кремниевые наночастицы, как недавно описала его команда в Scientific Reports.
«Для меня очень интересно видеть, какого прогресса мы достигли за последние семь или восемь лет, — сказал Цуй, — и как мы решали проблемы одну за другой."