Našiel sa spôsob, ako zvýšiť kapacitu lítium-iónových batérií desaťkrát

Po celom svete hľadajú desiatky vedeckých skupín možnosti, ako výrazne zvýšiť kapacitu lítium-iónových batérií. Zavedenie kremíka do štruktúry sa považuje za sľubný smer, ale jeho krehkosť, krehkosť zlúčenín na ňom založených a ďalšie problémy to dlho neumožňovali.

Vyzerá to však tak, že vedcom v Japonsku sa podarilo nájsť riešenie problému s kremíkom. Prišli s novým dizajnom anódy vyrobenej z kremíkových oblúkov veľkosti nano, ktoré dodávajú potrebnú pevnosť a odolnosť.

Moderné lítium-iónové batérie a ich nevýhody

Na úvod teda stačí niekoľko slov o tom, ako fungujú lítium-iónové batérie. Ako viete, batéria sa teda skladá z dvojice elektród (katódy a anódy) a elektrolytického roztoku. Takže hlavnou úlohou elektrolytu je prenos iónov lítia medzi katódou a anódou, ktorá je práve vyrobená z grafitu.

Počas nabíjania batérie sa teda lítiové ióny pohybujú pozdĺž cesty katóda - roztok - anóda. V procese vybíjania sa ióny pohybujú opačným smerom.

Tento dizajn sa dobre osvedčil a funguje už viac ako tucet rokov. Ale hlavná nevýhoda tohto celého odladeného návrhu spočíva v tom, že na uloženie jedného lítneho iónu musí byť v grafitovej anóde použitých šesť atómov uhlíka naraz. Z tohto dôvodu majú tieto batérie nízku hustotu energie.

Kremík a jeho aplikácie

Ak sa však pozrieme na taký materiál, ako je kremík, potom je jeden z jeho atómov schopný viazať sa so štyrmi iónmi lítia naraz, čo vedie k takmer 10-násobnému zvýšeniu hustoty energie. Zdá sa, že je všetko v poriadku, ale vedcom sa stále nepodarilo stabilizovať kremík.

Pretože je náchylný na výraznú expanziu (až do 400% pôvodného objemu), kontrakcie a lámanie počas prevádzky na batériu, potom všetky tieto deformačné účinky zničili kremíkové anódy dosť rýchlo.

Vedecký tím z Okinawského inštitútu pre postgraduálne technológie a technológie (OSIT) navrhol riešenie problému stabilizácie kremíkovej anódy. Inžinieri uskutočnili celý rad experimentov s vrstvami kremíka rôznych hrúbok pri hľadaní zlatého priemeru, pri ktorom budú splnené podmienky vysokej hustoty energie a stability batérie.

Vedci zistili, že pri zvyšovaní kremíkovej vrstvy dochádza najskôr k zvýšeniu tuhosti a po určitom okamihu k prudkému poklesu. Bolo rozhodnuté podrobnejšie študovať dôvod takéhoto prechodu, a to sa vedcom podarilo zistiť.

Ukázalo sa, že keď sa kremík ukladá na kovové nanočastice, začnú sa vytvárať drobné stĺpiky vo forme obrátených kužeľov, ktoré smerom hore zhustnú.

Ukazuje sa, že s ukladaním rastúceho počtu atómov kremíka a podľa toho s rastom pilierov sa stávajú také široké, že sa navzájom dotýkajú a vytvárajú tak klenutú štruktúru nanometra mierka.

Takáto štruktúra je dosť silná a dokonca ju používajú ľudia v stavebníctve. A ukazuje sa, že pred vznikom týchto nanooblúkov je štruktúra dosť slabá a ich ešte väčší rast vytvára hubovitú štruktúru s otvormi, ktorá nie je až taká efektívna.

A až v okamihu vytvorenia takýchto oblúkov sa vytvorí rovnováha, ktorá umožňuje zabezpečiť zvýšenú kapacitu nabíjania a je schopná vydržať veľké množstvo cyklov nabíjania / vybíjania.

Zatiaľ nie je známe, kedy sa nové lítium-iónové batérie so silikónovou anódou dostanú do predaja, ale skutočnosť, že tento smer je sľubný, sa dá rozpoznať už v tejto fáze.

Páčil sa ti materiál? Potom zdvihnite prst a prihláste sa na odber kanála. Ďakujem za tvoju pozornosť!