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».
Источник: pozitivchik.info
