Нова структура аноду для звичайних літій-іонних акумуляторів на порядок підвищить їх продуктивність.
Літій-іонні акумулятори сьогодні набули величезної популярності завдяки непоганому поєднанню ціни, ємності і легкості. Це найпоширеніші акумулятори в стільникових телефонах, ноутбуках, фотоапаратах та іншій портативній техніці.
Суть їхньої дії проста: в них протікає електрохімічна реакція, пов'язана з переміщенням іонів літію від одного електрода до іншого - через шар рідкого електроліту (при підзарядці ця реакція йде в зворотному напрямку). Критичним моментом у роботі таких акумуляторів є ефективність, з якою йде обмін іонами між катодом і анодом. Чим більше число іонів літію здатні вони передавати один одному - тим більшою ємністю буде володіти акумулятор.
Як негативно заряджений катод сьогодні використовується графіт, а позитивний анод - літій-кобальтові або літій-марганцеві пластини. Теоретично, якщо ми зможемо робити аноди на основі не вуглецю, а кремнію, то вже це підвищить ємність акумуляторів вдесятеро, проте поки вченим не вдавалося отримати кремнієвих структур, досить стабільних в агресивних умовах, в яких повинен працювати цей анод. Типовий графітовий анод літій-іонного акумулятора складається з частинок розмірами 15 − 20 мкм. Якщо замінити їх на того ж розміру частинки кремнію, то розширення і стиснення, яке відбувається при вході і виході іонів літію в анод, швидко руйнує структуру такого аноду.
Цю проблему вирішує новий структурний підхід, запропонований групою американських вчених на чолі з Глібом Юшиним - що дозволяє скористатися всіма перевагами кремнієвих анодів. Тільки уявіть: від батареї того ж розміру і ваги можна буде домогтися в рази більшої ємності, або навпаки - при тій же ємності в кілька разів зменшити розміри батареї.
"На нано-масштабі ми можемо" підлаштовувати "властивості матеріалів з набагато більшою точністю, ніж з традиційним підходом, - коментує свій результат сам Юшин. - Це - приклад того, як нанотехнології дозволяють отримувати матеріали з удосконаленими властивостями ". Дійсно, тестування, проведене в його лабораторії показало, що акумулятор розмірами з невелику монетку вп'ятеро перевершував ємність аналогічного пристрою з анодом на основі звичайного графіту.
Щоб отримати потрібний матеріал, вчені почали зі створення провідної ієрархічної - як дерево з гілками - структури з наночастинок вуглецю. Потім на неї наносилися сферичні частинки кремнію діаметром менше 30 нм. Нарешті, з них формували більш великі сфери, всіяні порами. Підсумкова структура (схема її показана на ілюстрації) нагадує вид зверху на плодоносну яблуню. Варто сказати, що кожна така «яблуня» - гранула має розміри не більше 10 − 30 мкм. З них і утворюється новий анодний матеріал.
Тут особливо важлива саме пориста структура гранул. Вона дозволяє, по-перше, швидко впускати іони літію при підзарядці, а по-друге, робить всю структуру «упругою» і не допускає появи в матеріалі розломів, викликаних поглинанням або віддачею літію.
За твердженням авторів розробки, використана ними технологія формування наноструктури з кремнію і вуглецю легко масштабується для промислового використання і повністю застосовна до вже вироблених акумуляторів. А це дає непогані шанси на те, що скоро ми побачимо куди більш «довгограючі» мобільні телефони, ноутбуки, плеєри і весь набір портативних пристроїв, де використовуються літій-іонні акумулятори.
За прес-релізом Georgia Institute of Technology