Представьте себе мобильный телефон, который держит заряд
больше недели, а затем заряжается за 15 минут. Фантастика? Но она может
стать реальностью благодаря новому исследованию ученых Северо-Западного
университета (г. Эванстон, штат Иллинойс, США). Команда инженеров
разработала электрод для литиево-ионных перезаряжаемых батарей (которые
сегодня используются в большинстве сотовых телефонов), позволивший
увеличить их энергетическую емкость в 10 раз. Этим приятные сюрпризы не
ограничиваются — новые аккумуляторные устройства умеют заряжаться в 10
раз быстрее нынешних.
Для преодоления ограничений, налагаемых существующими технологиями на
энергетическую ёмкость и скорость заряда батареи, ученые применили два
различных химико-технологических подхода. Полученный в результате
аккумулятор позволит не только продлить время работы мелких электронных
устройств (вроде телефонов и лэптопов), но и подготовить почву для
разработки более эффективных и компактных батарей для электромобилей.
«Мы нашли способ продлить время удержания заряда новой литиево-ионной
батареей в 10 раз», — сообщил профессор Гарольд Х. Кунг (Harold H.
Kung), один из ведущих авторов исследования. – «Даже после 150 сеансов
зарядки/разрядки, что означает не менее года работы, она остается
впятеро эффективнее, чем литиево-ионные баратеи, присутствующие сегодня
на рынке».
Работа литиево-ионной батареи основана на химической реакции, в
которой ионы лития движутся между анодом и катодом, размещенными на
противоположных концах батареи. В процессе эксплуатации аккумулятора
ионы лития мигрируют от анода через электролит к катоду. При зарядке же
их направление сменяется прямо противоположным. Существующие на данный
момент аккумуляторы имеют два важных ограничения. Их энергетическая
емкость – то есть время удержания заряда батареей – ограничена
плотностью заряда, или тем, сколько ионов лития может разместиться на
аноде или катоде. В то же время скорость зарядки такого аккумулятора
ограничена скоростью, с которой ионы лития способны двигаться через
электролит к аноду.
В нынешних перезаряжаемых батареях в аноде, созданном из множества
графеновых листов, на каждые шесть атомов углерода (из которых состоит
графен) может приходиться лишь один атом лития. В попытке увеличить
энергетическую емкость аккумуляторов ученые уже экспериментировали с
заменой углерода на кремний, способный вместить куда больше лития: по
четыре атома лития на каждый атом кремния. Однако кремний в процессе
зарядки резко расширяется и сжимается, чем вызывает фрагментацию
вещества анода и, как результат, быструю потерю зарядной емкости
батареи.
В настоящее время малая скорость зарядки батареи объясняется формой графеновых
листов: по сравнению с толщиной (составляющей всего один атом) их длина
оказывается непомерно большой. Во время зарядки ион лития должен
преодолеть расстояние до внешних краев графеновых листов, а затем пройти
между ними и остановиться где-то внутри. Так как для достижения
середины графенового листа литию требуется немалое время, у краев его
наблюдается что-то вроде ионного затора.
Как уже говорилось, исследовательская группа Кунга решила обе эти
проблемы, взяв на вооружение две различные технологии. Во-первых, для
обеспечения устойчивости кремния и, соответственно, поддержания
максимальной зарядной емкости батареи, они разместили кластеры кремния
между графеновыми листами. Это позволило увеличить количество ионов
лития в электроде, одновременно используя гибкость графеновых листов для
учета изменений объема кремния в процессе зарядки/разрядки батареи.
«Теперь мы одним выстрелом убиваем обоих зайцев», — говорит Кунг. –
«Благодаря кремнию мы получаем более высокую плотность энергии, а
чередование слоев уменьшает потерю мощности, вызванную расширением с сокращением кремния. Даже при разрушении кластеров кремния сам кремний больше никуда не денется».
Кроме того, исследователи использовали процесс химического окисления
для создания миниатюрных (10-20 нанометров) отверстий в графеновых
листах («in-plane defects»), обеспечивающих ионам лития «быстрый доступ»
внутрь анода с последующим хранением в нем в результате реакции с
кремнием. Это уменьшило время, необходимое для зарядки батареи, в 10
раз.
Пока что все усилия по оптимизации работы батарей были направлены на
одну из их составляющих – анод. На следующем этапе исследований ученые с
той же целью планируют изучить изменения в катоде. Кроме того, они
хотят доработать электролитную систему таким образом, чтобы батарея
могла автоматически (и обратимо) выключаться при высоких температурах –
подобный защитный механизм мог бы пригодиться при использовании батарей в
электромобилях.
По словам разработчиков, в текущем виде новая технология должна выйти
на рынок в течение ближайших трех-пяти лет. Статья, посвященная
результатам исследования и разработки новых аккумуляторных батарей, была
опубликована в журнале «Advanced Energy Materials».
|