Depositphotos
Ізраїльські вчені за допомогою лазера створили новий анод з кремнію та графену, який забезпечує продуктивність Li-ion-батарей протягом тисяч циклів.
Наразі в умовах високого попиту на Li-ion-акумулятори кремній стає перспективною альтернативою традиційним графітовим анодам завдяки вищій місткості. Однак використання кремнію досі обмежували низька ефективність, структурні проблеми під час циклічної роботи та складність прелітіювання, тобто додавання додаткового літію в акумулятор в процесі виробництва з урахуванням майбутніх втрат.
Ізраїльські науковці розробили одноетапний процес з використанням лазера, який одночасно синтезує та додає прелітійовані кремнієві наночастинки у провідну графенову матрицю. Метод лазерно-керованого твердотілого прелітіювання розробила група дослідників під керівництвом професора Школи хімії та кафедри матеріалознавства Тель-Авівського університету Фернандо Патольського.
Метод працює у звичайних умовах та передбачає використання простих прекурсорів. Він не вимагає складних багатоступеневих етапів виробництва або використання реактивного металевого літію. В процесі виходить самопідтримуючий, повітронепроникний прелітійований композит з потрійної суміші фенольної смоли, наночастинок кремнію (SiNPs) та солей літію під впливом інтенсивного лазерного випромінювання низької потужності. Локалізоване тепло та тиск ініціюють реакції між солями кремнію та літію.
“У цьому методі повсюдно використовуються поширені солі літію (LiOH, Li₂CO₃, LiNO₃, LiF, LiClO₄), при цьому LiOH демонструє оптимальні характеристики завдяки ущільненню прекурсору під дією лугу та покращеному міжфазному контакту”, — пояснюють ізраїльські дослідники.
Це дозволяє проводити прелітіювання одночасно з формуванням лазерно-індукованого графену (LIG). Тривимірна, пориста, електропровідна форма графену утворює стабільну високопровідну структуру, яка підтримує частинки кремнію.
Матеріал отримує структуру типу “ядро-оболонка”, у якій частково прелітійовані наночастинки кремнію вкриті тонким шаром силікату літію. Вони інтегровані у пористу провідну матрицю, яка підтримує прелітіювання та стабілізує ковалентні зв’язки.
Окрім цього структура пом’якшує об’ємне розширення, яке з часом призводить до деградації кремнієвих анодів. За результатами випробувань прототип кремнієво-графенового анода зберіг понад 98% місткості після більш ніж 2 тис. циклів за щільності струму 5А·г⁻¹, продемонструвавши незначне зниження місткості порівняно з не прелітійованими аналогами.
Оцінка характеристик також показала, що анод забезпечує місткість понад 1700 мА·год з початковою кулонівською ефективністю у понад 97%. На думку дослідників, це вказує на значний потенціал для використання у системах швидкісної зарядки, особливо для електрокарів та портативної електроніки.
Дослідники додають, що аноди демонструють підтримку надшвидкої зарядки, зберігаючи до 63% максимальної місткості за щільності струму 10 А·г⁻¹. Нова система також демонструє високу циклічну стабільність, зберігаючи характеристики протягом тисяч циклів та демонструючи мінімальне погіршення з часом.
“Це нововведення не тільки сприяє розробці літій-іонних акумуляторів наступного покоління, а й створює основу для перетворення легкодоступних та економічно ефективних вихідних матеріалів на високоефективні електроди, що обіцяє знизити складність і вартість виробництва батарей”, — підкреслюють розробники.
Вчені довели масштабованість методу та виготовили електроди довжиною 20 см, які потенційно можуть бути використані у рулонному виробництві. У повномасштабних випробуваннях з катодами з LiFePO4 батареї не продемонстрували помітної втрати місткості після 500 циклів при швидкості розряду 1C.
Раніше ми писали, що дослідники створили перший прототип бездротової квантової батареї. Між тим Китай створив батарею на 700 Вт•год/кг.
Результати дослідження опубліковані в Springer Nature Link
Джерело: Interesting Engineering
Контент сайту призначений для осіб віком від 21 року. Переглядаючи матеріали, ви підтверджуєте свою відповідність віковим обмеженням.
Cуб'єкт у сфері онлайн-медіа; ідентифікатор медіа - R40-06029.