АККУМУЛЯТОРЫ ЗАЛЕЧИВАЮТ ТРЕЩИНЫ НА АНОДЕ

АККУМУЛЯТОРЫ ЗАЛЕЧИВАЮТ ТРЕЩИНЫ НА АНОДЕ

Литий-ионные аккумуляторы можно назвать золотым стандартом для аккумуляторов, дающих энергию, необходимую для работы такой бытовой электроники, как смартфоны, планшеты и ноутбуки – дело в том, что такие аккумуляторы отличаются очень высокой удельной плотностью энергии.

Однако для более смелых проектов, например, электромобилей необходимы другие аккумуляторы, способные запасать еще большее количество энергии, позволяющее автомобилям проходить большее расстояние «на одной зарядке».

Для решения этой задачи инженеры, разрабатывающие новые источники питания, должны создать новый, более эффективный анод, однако много экспериментальных перезаряжаемых источников электроэнергии разрушалось еще в процессе испытаний, в первую очередь из-за вызванных повторяющими циклами зарядки/разрядки деформациями анода. Исследователям из США удалось создать аккумуляторы, способные залечивать возникающие в процессе эксплуатации трещины на аноде, такое решение может значительно увеличить срок жизни аккумулятора.

В настоящее время материалом для изготовления анода аккумуляторов является графит. При заряде аккумулятора катионы лития интеркалируют между пластинками углерода, образуя LiC₆. Эти же ионы лития высвобождаются в ходе разрядки аккумулятора. Для того, чтобы аккумулятор мог запасать большее количество энергии, анодный материал должен содержать большее количество лития. Перспективным материалом для изготовления анода является кремний, который может соединения состава Li₁₅Si₄ или Li₂₁Si₅. Однако, неизбежно внедрение дополнительных атомов в анод и их высвобождение из анода приводит к тому, что кремний может увеличиваться в объеме на 300%, что приводит к разрушению анода уже через несколько циклов зарядка/разрядка.

Исследователи из групп Йи Суи (Yi Cui) и Женаня Бао (Zhenan Bao) из Стэнфорда объединили усилия и предложили элегантное решение проблемы нестойкости анода. Исследователи из группы Куи ранее разработали над разработкой литий-ионных батарей, в то время как область научных интересов Бао лежала в создании самозалечивающихся материалов для создания синтетической кожи и сходных систем. Пытаясь создать долговечный аккумулятор, источники внедрили микрочастицы кремния в структуру хаотично разветвленного аморфного полимера, нити которого связаны водородными связями.

Когда микрочастицы из кремния начинают расширяться в процессе их использования цепи полимера растягиваются и перераспределяются, позволяя материалу анода расширяться без разрушения. Если же все же в структуре композитного материала происходит разрыв, водородное связывание способствует тому, что такая трещина затягивается самостоятельно. Внедренные в полимерный материал частички углерода обеспечивают композитному материалу электропроводность.

Исследователи испытали новый композитный материал, проведя ряд циклов разрядки аккумуляторов, аноды в которых были выполнены из нового материала. После 90 циклов зарядка/разрядка аккумуляторы сохраняли 80% своей исходной емкости, в то время как аккумулятор с анодом, изготовленным из микрочастиц кремния, распределенных в геле из морских водорослей, сохранял лишь 47% емкости уже после 20 циклов зарядки/разрядки, при этом аноды из других материалов отличались еще худшей производительностью.

В настоящий момент исследователи работают над оптимизацией литий-полимерного композита с целью увеличить стабильность циклов зарядка/разрядка и другие свойства. Бао отмечает, что в то время, как для аккумулятора сотового телефона требуется несколько сотен устойчивых циклов зарядка/разрядка, для электромобилей потребуется несколько тысяч устойчивых циклов. В настоящее время исследователи пытаются понять детали химических и физических процессов, протекающих в аккумуляторах, чтобы понять, какие параметры самозалечивающихся полимеров нужно будет поменять.

Источник: Nat. Chem., 2013, DOI: 10.1038/nchem.1802