Прорыв в материалах твердотельных аккумуляторов: китайские исследователи представили "дышащий" кремниевый анод

Команда исследователей во главе с профессором Чен Ванхуа из Факультета физической науки и технологии Университета Нинбо совместно с исследователями из Университета технологий Нинбо и Нинбо Института технологий объявила о прорыве в материалах анода для твердотельных литий-ионных аккумуляторов.

Согласно китайским СМИ, команда успешно разработала новый анод из кремниевых нанопроволок с трехмерной "дышащей" структурой, вдохновленной природными механизмами дыхания, что предлагает многообещающий новый путь для разработки высокопроизводительных кремниевых анодов для твердотельных литий-ионных аккумуляторов. Результаты исследования были недавно опубликованы в международном журнале по энергетическим материалам, Energy Storage Materials.

Твердотельные литий-ионные аккумуляторы широко рассматриваются учеными и промышленностью как "конечная цель" технологии аккумуляторов следующего поколения из-за их повышенной безопасности, более высокой энергетической плотности и превосходной циклической производительности. Среди потенциальных материалов для анодов этих передовых аккумуляторов кремний выделяется своей исключительно высокой теоретической емкостью — в десять раз большей, чем у традиционных коммерческих графитовых анодов — и отличной химической совместимостью. Однако практическое применение кремния было сильно ограничено его резким увеличением объема, превышающим три раза его первоначальный размер во время циклов зарядки и разрядки. Это расширение приводит к сильному механическому напряжению, отсоединению интерфейса и быстрому снижению электрохимической производительности.

"Если мы сравним литий-ионный аккумулятор с складом энергии, кремний — это признанный 'супергрузчик' с огромным потенциалом хранения," объяснил профессор Чен Ванхуа. "Однако этот 'гигант' имеет крайне изменчивый характер: при поглощении литий-ионов во время зарядки объем кремния резко увеличивается более чем в три раза. При повторных циклах зарядки и разрядки кремний ведет себя как воздушный шарик, который постоянно надувается и сдувается, в конечном итоге 'разрушаясь' от усталости, что приводит к внезапной смерти срока службы батареи."

Для решения этой критической проблемы команда исследователей разработала инновационное решение, позволяющее кремнию "свободно дышать" в жесткой твердотельной среде. Используя технологию плазменно-улучшенного химического осаждения из паровой фазы (PECVD), они спроектировали и изготовили новую трехмерную колоннообразную кремниевую архитектуру, которая интегрируется непосредственно с токосъемником. Этот дизайн обладает "двухфазной" структурой с ядром и оболочкой, подготовленной в результате двухступенчатого процесса PECVD.

"Мы отошли от традиционного 'кремниевого порошка' и вместо этого сделали кремний 'стояющим' как деревья в лесу, переплетенными для формирования трехмерной сети на токосъемнике," дополнительно пояснил профессор Чен. "Эти нанопроволоки имеют множество полостей между ними, подобно установке бесчисленных 'дышащих клапанов' внутри батареи. Когда литий-ионов становится много, кремниевые нанопроволоки могут расширяться в этих резервных зонах, не сжимая окружающий электролит."

Экспериментальные результаты демонстрируют, что этот колоннообразный кремниевый анод обладает исключительной электрохимической производительностью и практичностью. Разработанная батарея продемонстрировала возможность непрерывного обеспечения энергией даже при сгибании или разрезании ножницами, что подтверждает ее замечательную механическую прочность и безопасность.

Это исследование устанавливает новую парадигму для объединения кинетики ионного транспорта с механической целостностью через архитектурный дизайн. Оно предоставляет осуществимый и практичный технический путь для разработки высокоэнергетических, долговечных твердотельных литий-ионных аккумуляторов на основе кремния, приближая следующее поколение технологий аккумуляторов к реальности.