Литий-ионные аккумуляторы могут стать более емкими и долговечными
Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (подразделение молекулярных работ) при Министерстве энергетики США разработали литиевые аккумуляторы с новой конструкцией анода, демонстрирующие всемеро бόльшую ёмкость, а также более длительный жизненный цикл.
Литиевые батареи — энергетическая основа широчайшего спектра устройств, от смартфонов до электромобилей и гибридов. Но, как всякий знает, они далеки от совершенства: заряда хватает ненадолго, а срок службы не превышает 5–6 лет, так как при комнатной температуре безвозвратно теряется 20% ёмкости в год.
В попытке улучшить существующие литий-ионные батареи авторы рассматриваемого исследования изменили материал и конструкцию их электродов.
![При незаряженном аккумуляторе кремниевые шарики в аноде сжаты и занимает лишь часть углеродной оболочки, а в заряженном состоянии увеличиваются и заполняют весь объём. (Здесь и ниже иллюстрации Nian Liu et al.)](https://science.compulenta.ru/upload/iblock/4d8/2-1.jpg)
При незаряженном аккумуляторе кремниевые шарики в аноде сжаты и занимает лишь часть углеродной оболочки, а в заряженном состоянии увеличиваются и заполняют весь объём. (Здесь и ниже иллюстрации Nian Liu et al.) |
В обычном литиевом аккумуляторе электроны перетекают через электролит от катода (например, LiCoO2) к аноду, выполненному, как правило, из углерода. При зарядке батареи процесс идёт в обратном направлении.
В последние годы в качестве перспективного нового материал для электродов рассматривались наночастицы кремния, обладающего существенной способностью по удержанию ионов. Проблемой было то, что при накоплении ионов кремний существенно расширяется в геометрических размерах, что трудно совместить с сохранением работоспособности электрода: остальные материалы батареи в объёме не изменяются, что может привести к механическим повреждениям внутренностей аккумулятора.
![Изображение электронного микроскопа показывает кремниевые частицы до капсулирования их углеродом (слева) и после (справа). На правом изображении хорошо виден зазор между кремнием и стенками углеродных сфер.](https://science.compulenta.ru/upload/iblock/a5e/2-2.jpg)
Изображение электронного микроскопа показывает кремниевые частицы до капсулирования их углеродом (слева) и после (справа). На правом изображении хорошо виден зазор между кремнием и стенками углеродных сфер. |
Чтобы избежать подобного, кремниевые наночастицы были «упакованы» в сферические оболочки из углерода, применяемого в литиевых батареях сегодня. При этом между кремнием и углеродом было оставлено расстояние, которое позволяло бы углеродным сферам не быть разорванными изнутри при расширении кремния.
Испытания аккумулятора с анодом, построенным по этому образцу, показали, что его ёмкость поднялась до 2 800 мА•ч, а жизнеспособность увеличилась до 1 000 циклов зарядки-разрядки при снижении ёмкости всего до 74% от изначальной. Таким образом, ёмкость повысилась семикратно по сравнению с существующими литиевыми накопителями, а жизненный цикл стал впятеро длиннее.
По словам разработчиков, процесс изготовления анода нового типа прост и легко масштабируем, что позволит без серьёзных проблем внедрить его в массовое производство.
![В Николаеве после столкновения с подъемным краном перевернулась «Тойота» (фото, видео)](https://img.youtube.com/vi/9Ks5Et7gCKk/mqdefault.jpg?t=f82d8f6)
![В ВСУ представили новый загадочный дрон-камикадзе (видео)](https://img.youtube.com/vi/yHTwbxhMW4o/mqdefault.jpg?t=f82d8f6)
![В Одессе подрались несколько бригад «скорой» и сотрудники ТЦК (видео)](https://img.youtube.com/vi/XxyvZD4AYIE/mqdefault.jpg?t=f82d8f6)
![В Николаевской области поймали рыбака с сетями: нанес ущерб на 120000 гривен](https://img.youtube.com/vi/WU8jE-NNs-8/mqdefault.jpg?t=f82d8f6)
![В Николаеве родственники военнопленных провели акцию: пришли около 150 человек](https://img.youtube.com/vi/bCstSWBHiBw/mqdefault.jpg?t=f82d8f6)
![Российским пленным показали последствия ударов ВС РФ по Харькову (видео)](https://img.youtube.com/vi/hAHVRLZhkFg/mqdefault.jpg?t=f82d8f6)
![В Николаеве горожане открыли купальный сезон на Намыве, несмотря на запрет (видео)](https://img.youtube.com/vi/N8p0uu-dLzQ/mqdefault.jpg?t=f82d8f6)
![Пешеход прыгнул на движущийся автомобиль на проспекте в Николаеве: пострадавшего увезла скорая (фото, видео)](https://img.youtube.com/vi/sRMv03Cazfw/mqdefault.jpg?t=f82d8f6)
![В Николаеве в Южном Буге зацвела вода (видео)](https://img.youtube.com/vi/BqIGrEvZgP4/mqdefault.jpg?t=f82d8f6)