Забудьте про термін служби: нові кремнієви аноди зберігають місткість Li-ion-батарей протягом тисяч циклів

Израильские ученые с помощью лазера создали новый анод из кремния и графена, который обеспечивает производительность Li-ion-батарей в течение тысяч циклов.

Сейчас в условиях высокого спроса на Li-ion-аккумуляторы кремний становится перспективной альтернативой традиционным графитовым анодам благодаря высокой емкости. Однако использование кремния до сих пор ограничивали низкая эффективность, структурные проблемы во время циклической работы и сложность прелитирования, то есть добавления дополнительного лития в аккумулятор в процессе производства с учетом будущих потерь.

Израильские ученые разработали одноэтапный процесс с использованием лазера, который одновременно синтезирует и добавляет прелитированные кремниевые наночастицы в проводящую графеновую матрицу. Метод лазерно-управляемого твердотельного прелитирования разработала группа исследователей под руководством профессора Школы химии и кафедры материаловедения Тель-Авивского университета Фернандо Патольского.

Метод работает в обычных условиях и предусматривает использование простых прекурсоров. Он не требует сложных многоступенчатых этапов производства или использования реактивного металлического лития. В процессе получается самоподдерживающийся, воздухонепроницаемый прелитированный композит из тройной смеси фенольной смолы, наночастиц кремния (SiNPs) и солей лития под воздействием интенсивного лазерного излучения низкой мощности. Локализованное тепло и давление инициируют реакции между солями кремния и лития.

«В этом методе повсеместно используются распространенные соли лития (LiOH, Li₂CO₃, LiNO₃, LiF, LiClO₄), при этом LiOH демонстрирует оптимальные характеристики благодаря уплотнению прекурсора под действием щелочи и улучшенному межфазному контакту», — объясняют израильские исследователи.

Это позволяет проводить прелитирование одновременно с формированием лазерно-индуцированного графена (LIG). Трехмерная, пористая, электропроводящая форма графена образует стабильную высокопроводящую структуру, которая поддерживает частицы кремния.

Материал получает структуру типа «ядро-оболочка», в которой частично прелитированные наночастицы кремния покрыты тонким слоем силиката лития. Они интегрированы в пористую проводящую матрицу, которая поддерживает прелитирование и стабилизирует ковалентные связи.

Кроме этого структура смягчает объемное расширение, которое со временем приводит к деградации кремниевых анодов. По результатам испытаний прототип кремниево-графенового анода сохранил более 98% емкости после более чем 2 тыс. циклов при плотности тока 5А·ч-¹, продемонстрировав незначительное снижение емкости по сравнению с не прелитированными аналогами.

Оценка характеристик также показала, что анод обеспечивает емкость более 1700 мА·ч с начальной кулоновской эффективностью в более 97%. По мнению исследователей, это указывает на значительный потенциал для использования в системах скоростной зарядки, особенно для электрокаров и портативной электроники.

Исследователи добавляют, что аноды демонстрируют поддержку сверхбыстрой зарядки, сохраняя до 63% максимальной емкости при плотности тока 10 А·ч-¹. Новая система также демонстрирует высокую циклическую стабильность, сохраняя характеристики в течение тысяч циклов и демонстрируя минимальное ухудшение со временем.

«Это нововведение не только способствует разработке литий-ионных аккумуляторов следующего поколения, но и создает основу для преобразования легкодоступных и экономически эффективных исходных материалов в высокоэффективные электроды, что обещает снизить сложность и стоимость производства батарей», — подчеркивают разработчики.

Ученые доказали масштабируемость метода и изготовили электроды длиной 20 см, которые потенциально могут быть использованы в рулонном производстве. В полномасштабных испытаниях с катодами из LiFePO₄ батареи не продемонстрировали заметной потери емкости после 500 циклов при скорости разряда 1C.

Ранее мы писали, что исследователи создали первый прототип беспроводной квантовой батареи. Между тем Китай создал батарею на 700 Вт-ч/кг.