Новое исследование обнаружило некий строительный блок, который улучшает анод в литий-ионном аккумуляторе. Новой разработке поспособствовали наночастицы.

Мощные портативные многозарядные литий-ионные аккумуляторы — важнейший компонент технологий, используемых в смартфонах, ноутбуках и электромобилях. Не так давно важность их усовершенствования был особенно признан. А обладателем Нобелевской премии стал доктор Акире Йошино за работу по созданию таких аккумуляторов.

Обычно для создания таких аккумуляторов используют графит, который однако имеет ограничения.

«При зарядке батареи ионы лития должны двигаться из одной стороны — катода — в другую — анод. После чего ионы лития идут обратно, из-за чего высвобождается электричество», — пояснила д-р Марта Харо, один из авторов работы. «Однако графитовым анодам нужно шесть атомов углерода для сбережения одного иона лития, из-за чего максимальная энергия таких аккумуляторов невысока».

Сегодня наука и промышленность изучают возможность использования аккумуляторов для полного обеспечения энергией электромобилей и космических аппаратов, из-за чего увеличение плотности энергии играет важную роль. Сейчас ученые находятся в поисках новых материалов, способных увеличить количество ионов лития, хранящихся в аноде. Одним из них называют кремний, способный содержать четыре иона лития на каждый атом кремния.

«Кремниевые аноды могут хранить в десять раз больше заряда в данном объеме, чем графитовые аноды — на целый порядок больше с точки зрения плотности энергии», — сказал д-р Харо. «Проблема в том, что по мере того, как ионы лития перемещаются в анод, изменение объема очень велико, примерно до 400%, что приводит к разрушению и поломке электрода».

Большое изменение объема также препятствует стабильному образованию защитного слоя, который находится между электролитом и анодом. Поэтому каждый раз, когда батарея заряжается, этот слой должен постоянно восстанавливаться, израсходовав ограниченный запас ионов лития и сокращая срок службы и перезаряжаемость батареи.

«Наша цель состояла в том, чтобы попытаться создать более прочный анод, способный противостоять этим нагрузкам, который мог бы поглотить как можно больше лития и обеспечить как можно больше циклов зарядки до ухудшения», — сказал доктор Грамматикопулос, старший автор статьи. «И подход, который мы выбрали, заключался в создании структуры с использованием наночастиц».

В предыдущей статье, опубликованной в 2017 году в журнале Advanced Science, ныне расформированные OIST Nanoparticles by Design Unit разработали слоистую структуру в виде пирога, где каждый слой кремния был зажат между наночастицами металлического тантала. Это улучшило структурную целостность кремниевого анода, предотвращая чрезмерное набухание.

Экспериментируя с разной толщиной слоя кремния, чтобы увидеть, как это влияет на упругие свойства материала, исследователи заметили кое-что странное.

«Была точка определенной толщины кремниевого слоя, где упругие свойства структуры полностью изменились», — сказал Тео Булумис, нынешний аспирант OIST, проводивший этот эксперимент. «Материал постепенно становился жестче, но затем жесткость быстро уменьшалась, когда толщина кремниевого слоя была еще больше увеличена. У нас были некоторые идеи, но в то время мы не знали фундаментальной причины, по которой произошло это изменение».

Теперь эта новая статья, наконец, дает объяснение внезапному скачку жесткости при одной критической толщине.

С помощью методов микроскопии и компьютерного моделирования на атомном уровне исследователи показали, что, поскольку атомы кремния осаждаются на слой наночастиц, они не образуют ровную и однородную пленку. Вместо этого они образуют колонны в форме перевернутых конусов, которые становятся все шире и шире по мере осаждения большего количества атомов кремния. В конце концов отдельные кремниевые колонны соприкасаются друг с другом, образуя сводчатую структуру.

«Сводчатая конструкция прочна, как арка в гражданском строительстве», — сказал д-р Грамматикопулос. «Применяется та же концепция, только в наномасштабе».

Важно отметить, что повышенная прочность конструкции также совпала с улучшенными характеристиками батареи. Когда ученые провели электрохимические испытания, они обнаружили, что литий-ионный аккумулятор имеет повышенную зарядную емкость. Защитный слой также был более стабильным, что означало, что аккумулятор мог выдерживать больше циклов зарядки.

Эти улучшения видны только в тот момент, когда столбцы соприкасаются. До того, как наступит этот момент, отдельные стойки будут шататься и поэтому не могут обеспечить структурную целостность анода. И если осаждение кремния продолжается после соприкосновения столбцов, это создает пористую пленку с множеством пустот, что приводит к слабому, подобному губке поведению.

Это раскрытие сводчатой структуры и того, как она приобретает свои уникальные свойства, не только является важным шагом на пути к коммерциализации кремниевых анодов в литий-ионных батареях, но также имеет множество других потенциальных приложений в области материаловедения.

«Сводчатая конструкция может использоваться, когда необходимы материалы, которые являются прочными и способны выдерживать различные нагрузки, например, для биоимплантатов или для хранения водорода», — сказал д-р Грамматикопулос. «Точный тип материала, который вам нужен — более сильный или мягкий, более гибкий или менее гибкий — можно точно изготовить, просто изменив толщину слоя. В этом прелесть наноструктур».