Литий-ионные аккумуляторы широко применяются в портативных электронных устройствах, электрических и гибридных транспортных средствах и остро нуждаются в повышении энергоемкости на единицу массы.

Обычные анодные материалы для этих батарей способны брать менее одного эквивалента (иона лития) на формульную единицу. А многие материалы на основе элементов: Si, Ge, Sn — до 4,4 ионов лития на формульную единицу. Например, насыщенное литием олово (Li_4.4Sn) может хранить заряд до 994 мА*час/г, что втрое больше, чем полностью интеркалированный графит.

Проблема в том, что при интеркаляции — деинтеркаляции лития кристаллическая решетка материала увеличивается / уменьшается в объеме примерно в четыре раза, что приводит к огромным механическим напряжениям и, как следствие, к быстрому разрушению электрода после нескольких циклов зарядки-разрядки. Поэтому и возникла идея применения в качестве анодного материала нанонитей оксида олова. При первой зарядке идет необратимый процесс:

SnO2 + 4Li? 2Li2O + Sn

А затем, при функционировании устройства, обратимый:

Sn + xLi ? Li_xSn (0 ? x ? 4.4).

Фаза Li₂O электрохимически неактивна, работает буфером и повышает срок службы батареи, препятствуя агрегации наночастиц олова, снижающей площадь поверхности электродов. Применение оксида олова в виде системы из одномерных нанообъектов сильно увеличивает площадь поверхности электрода, делает его менее подверженным разрушению при циклических механических напряжениях при зарядке-разрядке. В полученных электродах ниже внутренне сопротивление, возможны большие токи, эти электроды более долговечны и позволяют создавать батареи с более высокой энергоемкостью за счет более полного использования свойств материала.

Технология основана на непосредственном (без буферных слоев) выращивании нанонитей на поверхности анодного коллектора тока по технологии пар-жидкость-кристалл (VLS) при довольно низкой температуре. Процесс осуществляется в электрической печи при 600°С и парциальном давлении кислорода менее одного миллиметра ртутного столба. В наиболее горячую зону печи вносится порошок олова, который в этих условиях испаряется. В более холодную — будущий анодный коллектор из нержавеющей стали или покрытого золотом кремния, на поверхности которого будет сформирована система из торчащих нанонитей оксида олова. Олово поступает за счет транспорта через газовую фазу. Таким образом, получается уже готовый электрод.

Авторы методики для сравнения использовали электроды, полученные нанесением на медную фольгу помещенных в органический растворитель нанопорошков олова или оксида олова в смеси с углеродной проводящей фазой с последующим удалением растворителя в вакууме при 100°С. Для электрода на основе нанонитей введения специальной проводящей фазы не требовалось. Три сравниваемых электрода были включены в состав литий-ионных аккумуляторов с использованием 1М раствора LiPF₆ в смеси этиленкарбоната и диметилкарбоната в качестве растворителя. В начале аккумуляторы показывали близкую энергоемкость, но после 20-30 циклов заряда-разряда для всех из них, кроме содержащего нанонити, она резко упала.

Зависимость удельной емкости от количества зарядо-разрядочных циклов для различных электродов

Таким образом, была продемонстрирована перспективность данной технологии. Скорее всего, варьируя средние длины и толщины нанонитей за счет подбора условий синтеза, в дальнейшем удастся получить электроды с еще лучшими эксплуатационными свойствами и долговечностью, которые найдут широкое применение в аккумуляторах всевозможных устройств.