Новые электроды и графен улучшат литий-ионные аккумуляторы

Электроды из новых материалов и углеродные наноструктуры позволят создавать более мощные и долговечные аккумуляторы, а графеновые наностенки защитят их от разрушения после многих циклов заряда и разрядки. Сотрудники Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына и химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, Университета Дубна и Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева (Казахстан) использовали кремний и германий для того, чтобы сделать ионы подвижнее. Результаты работы опубликованы в Journal of Materials Chemistry A.

Литий-ионные аккумуляторы — наиболее часто используемый тип накопителей энергии в современных электронных устройствах. Такие аккумуляторы состоят из двух электродов: отрицательного (анода) и положительного (катода). Пространство между ними заполнено пористым сепаратором, пропитанным электролитом — растворенной литиевой солью. Сепаратор предотвращает короткое замыкание между электродами и обеспечивает необходимый для высокой ионной проводимости запас электролита. Электрический ток возникает, когда ионы лития движутся из вещества анода через электролит в вещество катода. При этом энергоемкость во многом определяется количеством ионов лития.

Ученые разработали и исследовали новый анодный материал, позволяющий заметно повысить энергоэффективность литий-ионных аккумуляторов, в том числе используемых в тонкопленочных приложениях. «Сегодня большое внимание уделяется разработке анодных материалов на основе таких элементов, как кремний (Si) и германий (Ge). Эти элементы при взаимодействии с ионами лития способны образовывать сплавы, теоретическая энергоемкость которых значительно превышает емкость графита — традиционного анодного материала современных литий-ионных аккумуляторов», — рассказал Виктор Кривченко, соавтор статьи, старший научный сотрудник лаборатории физики плазмы и физических основ микротехнологии НИИЯФ МГУ.

Из всех известных анодных материалов у кремния наибольшая теоретическая литиевая емкость, она достигает 4200 мАч/г. Это делает кремний наиболее перспективным материалом для аккумуляторов. В свою очередь, более дорогой и менее емкий германий лучше проводит электрический ток: перенос ионов лития в нем протекает на несколько порядков интенсивнее. Такие особенности германия позволяют значительно увеличить мощность литий-ионных аккумуляторов без существенного изменения их объема.

Основная проблема электродных материалов заключается в том, что их структура разрушается в цикличном процессе заряда и разрядки, что приводит к выходу литий-ионного аккумулятора из строя. Ученые предлагают решить эту проблему с помощью перехода к наноструктурированным материалам и создания композитных материалов, где в качестве стабилизирующей матрицы могут выступать различные углеродные наноструктуры.

«Главная новизна представленной работы заключается в том, что для реализации анодных материалов с требуемыми свойствами использовалась матрица, сформированная плазмохимически синтезированными углеродными структурами с очень развитой поверхностью, — рассказал Виктор Кривченко. — Такие структуры представляют собой плотный массив графеноподобных наностенок, ориентированных перпендикулярно к поверхности металлической подложки».

В ходе работы ученые использовали метод магнетронного напыления, что позволило им однородно покрыть поверхность наностенок слоем кремния или германия толщиной 10-50 нанометров. При этом конечная структура композитного анода может состоять как из одного слоя активного материала, так и из чередующихся слоев. В результате было показано, что полученная трехмерная архитектура позволяет достигнуть высокой удельной емкости и повышает стабильность удельных характеристик анодов на основе кремния и германия.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.