Ученые МФТИ нашли способ в четыре раза продлить работу высокоемких литий-ионных аккумуляторов с кремниевым анодом
Ученые Института электродвижения МФТИ нашли способ в разы продлить работу высокоемких литий-ионных аккумуляторов с кремниевым анодом – вместо сплошной металлической подложки использовать медную фольгу с отверстиями. Работа позволит сильно удешевить и масштабировать производство компактных и энергоемких батарей. Исследование опубликовано в Journal of Composites Science.
Литий-ионные аккумуляторы обеспечивают работу электромобилей, дронов, портативной электроники. Их емкость уже достигает теоретического предела, а потребность в энергии только растет.
Выйти за этот предел вполне реально, если заменить традиционный графитовый анод на кремниевый. Его теоретическая емкость почти в десять раз выше, он быстро заряжается, работает при низких температурах и позволяет создавать тонкие и компактные устройства. Но его применение ограничено из-за быстрой деградации в процессе зарядки и разрядки. Когда частицы кремния поглощают и отдают ионы лития, анод сильно разбухает, увеличивается в объеме в три-четыре раза, а затем сжимается. Это быстро приводит к появлению трещин и отслаиванию, и аккумулятор выходит из строя.
Решение нашли ученые МФТИ: они поменяли не состав анода, а конструкцию его токосъемной подложки. Вместо сплошного металла они использовали перфорированную медную фольгу с отверстиями диаметром 250 и 500 микрометров.
Эксперименты показали: замена сплошной медной фольги на фольгу с отверстиями позволила сохранить емкость кремний содержащего анода с 60 до 90% после 100 циклов заряд-разряд. Похожего эффекта удалось добиться и при четырехкратном повышении тока разряда. Причем чем меньше диаметр отверстия, тем более выраженным оказался эффект стабилизации.
Внедрить инновацию в производство можно уже сейчас, ведь в работе ученые специально использовали только коммерчески доступные материалы и оборудование, которое часто встречается на производстве.
«Наша следующая задача – масштабировать этот подход, опробовать его на анодных материалах с еще большим содержанием кремния и изготовить серию высокоемких аккумуляторов с большим циклическим ресурсом на участке экспериментального производства нашего института»,
— заключил Шахбоз Исокжанов, первый автор публикации, аспирант лаборатории инженерии и технологий химических источников тока МФТИ.
