«Кремниевые» аккумуляторы увеличат время работы устройств в 10 раз

Наверняка каждый из наших читателей подтвердит, что батарейка его мечты всё ещё где-то там — за горизонтом. Несмотря на колоссальные усилия разработчиков, характеристики аккумуляторов фактически остановили свой качественный рост. Между тем метаться от розетки к розетке приходится всё чаще и чаще. Выходом, хотя бы промежуточным, могут стать аккумуляторы с кремниевым анодом. В качестве электролита будет использоваться всё тот же старый добрый литиево-ионный наполнитель, но кремниевая основа перспективных анодов обещает лучше и полнее с ним взаимодействовать. В перспективе ёмкости аккумуляторов с кремниевыми анодами могут оказаться в 10 раз больше, чем у современных батарей.

«Гранатовый» дизайн аккумуляторов (slac.stanford.edu)

Разработкой кремниевых анодов несколько лет в содружестве занимаются группа учёных из Университета Стэнфорда и группа из SLAC National Accelerator Laboratory. Свежая публикация на сайте SLAC даёт понять, что уже придуман и опробован способ получения устойчивых к разрушению кремниевых анодов. Дело в том, что в процессе заряда частицы кремния в составе анода увеличиваются в размерах до трёх раз. Это приводит к быстрому разрушению частиц на более мелкие части, что ухудшает параметры аккумуляторов. Также частицы анода от взаимодействия с электролитом покрываются тонкой плёнкой вещества, что также ухудшает их характеристики, поскольку проводимость в этом случае снижается. Ранее группа предложила создавать аноды в виде условного фрукта граната, в котором зёрна-частицы разделены оболочкой. Предложенная методика инкапсулирования частиц кремния как раз отвечает этой задумке.

Технология создания заключённых в оболочку кремниевых частиц анода (slac.stanford.edu)

Крупные частицы кремния — до трёх микрон — заключаются в оболочку из никеля. Затем на никеле, который выступает в роли катализатора, вокруг частицы выращивается графеновая оболочка. После этого следует процесс травления в кислоте, вымывающий никель. В результате на выходе мы имеем набор тесно связанных графеновых оболочек, внутри каждой из которых «болтается» частичка из кремния.

Графеновая оболочка служит гарантией целостности частиц и анода (slac.stanford.edu)

Графеновые оболочки отчасти гибкие, но не теряют основную форму, поэтому структура анода практически постоянная, хотя может немного «дышать». Частички кремния в процессе заряда раздуваются до определённого размера и в случае разрушения всё равно остаются внутри оболочки. Обволакивания их электролитом в данном случае не происходит. Иначе говоря, батарея с таким анодом может выдержать большее число циклов разряда и заряда.

Поведения кремниевой частицы в оболочке под электронным микроскопом (Hyun-Wook Lee/Stanford University)

Выше на изображении вы можете видеть поведение частички кремния в оболочке в процессе заряда. Пока это единичные вкрапления. На новом этапе разработчики собираются создать технологию, которая даст возможность выпускать кремний в оболочке в достаточном для производства анодов количестве.