Привычный материал на кончике карандаша - графит - ключевой компонент литий-ионных аккумуляторов. Но вот кремний - основа компьютерных чипов и многих других вещей по сравнению с графитом вмещает в 10 раз больше электрического заряда относительно собственного веса. Проблема в том, что кремний, когда взаимодействует с литием, сильно расширяется, и не выдерживает необходимое давление при изготовлении электродов, так как очень хрупок.
Разработана уникальная наноструктура, которая ограничивает расширение кремния и одновременно обогащает материал углеродом. Открытие может служить основой электродных материалов, которые увеличат энергоемкость аккумуляторов.
Хорошо проводящий графит упаковывает ионы лития в анод аккумулятора во время зарядки. Кремний поглощает больше лития, чем графита, но увеличивается в объеме примерно на 300 %, поэтому анод разрушается. Чтобы справиться с этим явлением, кремнию придали структуру из микросфер диаметром около 8 мкм - по размеру примерно с красное кровяное тельце - эритроцит.
«Твердый материал, такой как камень, сломается, если слишком увеличится в объеме». «В структуре, похожей на губку, внутри есть пространство, чтобы компенсировать расширение».
Пористый кремниевый электрод тоньше на 20 %, чем графитовый анод, но вмещает вдвое больше заряда. Микросферы проявляют необычайную механическую прочность, благодаря углеродным нанотрубкам.
Эта структура создается в несколько этапов. Сначала углеродные нанотрубки покрываются оксидом кремния. Далее сырье помещается в эмульсию масла с водой и кипятится.
«Углеродные нанотрубки с покрытием конденсируются в сферы, когда вода испаряется». «Под высокой температурой с погружением в воду и кислоту из оксида кремния удаляются побочные вещества». В результате получается порошок из углеродных нанотрубок, на поверхности которых находятся крошечные частицы кремния.
Прочность пористых кремниевых сфер проверяли с помощью сканирующего зонда атомно-силового микроскопа. Можно было наблюдать, как наноразмерные «катышки» «слегка сжимаются и теряют некоторую пористость при очень высоком давлении, но не разрушаются».
Это дает основание для дальнейшей коммерциализации технологии, поскольку анодные материалы должны выдерживать высокое давление, проходя через ролики, во время производства.
Ссылки:
1. Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-020-15217-9
К началу
