Теперь команда из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики предложила возможное решение: обернуть каждую частицу кремниевого анода в специально подобранную клетку из графена, чистой формы углерода, которая является самой тонкой. и самый прочный из известных материалов и отличный проводник электричества.В отчете, опубликованном 25 января в журнале Nature Energy, они описывают простой трехэтапный метод построения микроскопических графеновых клеток как раз подходящего размера: достаточно вместительный, чтобы позволить частице кремния расширяться при зарядке аккумулятора, но достаточно плотный, чтобы удерживать все части вместе, когда частица разваливается, поэтому она может продолжать работать с высокой производительностью. Прочные и гибкие клетки также блокируют разрушительные химические реакции с электролитом.«При тестировании графеновые клетки на самом деле увеличили электрическую проводимость частиц и обеспечили высокую зарядную емкость, химическую стабильность и эффективность», — сказал И Цуй, доцент SLAC и Стэнфорда, руководивший исследованием. «Этот метод может быть применен и к другим электродным материалам, что делает использование энергоемких и недорогих аккумуляторных материалов реальной возможностью».
В поисках кремниевых анодовЛитий-ионные батареи работают, перемещая ионы лития вперед и назад через раствор электролита между двумя электродами, катодом и анодом.
При зарядке батареи ионы попадают в анод; использование батареи для работы перемещает ионы обратно на катод.Когда дело доходит до изготовления кремниевых анодов, ученых ставит в тупик тот факт, что силикон разбухает в три раза по сравнению с нормальным размером во время зарядки. Для Куи и его сотрудников поиски сначала привели к анодам, сделанным из кремниевых нанопроволок или наночастиц, которые настолько малы, что вероятность их разрушения гораздо меньше. Команда придумала множество способов ограничить и защитить наночастицы кремния, от структур, напоминающих гранаты, до покрытий из самовосстанавливающихся полимеров или проводящих полимерных гидрогелей, подобных тем, которые используются в мягких контактных линзах.
Но они были успешными лишь частично; эффективность полученных анодов все еще была недостаточно высокой, а наночастицы дороги и трудны в производстве.«Этот новый метод позволяет нам использовать гораздо более крупные частицы кремния от одного до трех микрон, или миллионные доли метра, в диаметре, которые дешевы и широко доступны», — сказал Цуй. «Фактически, частицы, которые мы использовали, очень похожи на отходы, образующиеся при измельчении кремниевых слитков для изготовления полупроводниковых чипов; они похожи на кусочки опилок всех форм и размеров. это очень захватывающее новое достижение, и мы думаем, что оно предлагает практическое решение ».
Все дело в покрытииЧтобы графеновые каркасы работали, они должны точно соответствовать частицам кремния.
Ученые выполнили это в несколько этапов: сначала они покрыли частицы кремния никелем, который можно было нанести нужной толщины. Затем они вырастили слои графена поверх никеля; К счастью, никель действует как катализатор, способствующий росту графена. Наконец, они вытравили никель, оставив внутри графеновой клетки ровно столько места, чтобы частица кремния могла расшириться.«Исследователи испробовали ряд других покрытий для кремниевых анодов, но все они снизили эффективность анода», — сказал научный сотрудник Стэнфордского университета Кай Янь, который проводил эксперименты с аспирантом Юйчжаном Ли. «Облегающие графеновые каркасы — это первое покрытие, которое поддерживает высокую эффективность, и реакции могут проводиться при относительно низких температурах».
Теперь команда будет работать над точной настройкой процесса, добавил Ли, и над производством кремниевых частиц в клетках в достаточно больших количествах, чтобы построить промышленные батареи для испытаний.