Используемый повсеместно в электронной промышленности полупроводниковый кремний, наделенный особыми микропорами, может заменить графит в современных литиевых аккумуляторах и повысить их емкость в 10 раз, сообщает пресс-служба Райсовского университета в США, где в ходе научной конференции ученые представили свои разработки.
Поры в обычной кремниевой пластине, используемой для производства микрочипов, не только обеспечивают высокую удельную площадь поверхности, что позволяет материалу эффективно «вбирать» в себя атомы Li, служащие носителем заряда в литиевых батареях. Они также делают структуру материала устойчивой к периодическим расширениям и сжатиям, возникающим в ходе циклов зарядки и разрядки аккумуляторов.
Кремний уже давно привлекает внимание ученых, занимающихся совершенствованием современных литиевых источников тока. Согласно расчетам, его кристаллическая решетка может «вобрать» в себя наибольшее количество атомов лития и обеспечить тем самым наибольшую удельную емкость (число часов работы на грамм веса) аккумулятора.
В отличие от используемого повсеместно графита, где на шесть атомов углерода может приходиться максимум один дополнительный атом Li, на каждый атом кремния в его структуре может приходиться четыре Li. Таким образом, замена графита на кремний позволит увеличить емкость аккумуляторов примерно на порядок.
Внедрение лития в структуру материалов происходит по мере работы аккумулятора и миграции катионов из катода, которым часто выступает кобальтат лития LiCoO2, в анод. Чем больше емкость анода (чем больше атомов Li может вобрать его структура), тем больше емкость аккумулятора и продолжительность работы батареи.
Проблема с использованием кремния заключается в том, что спустя несколько циклов заряда и разряда структура кремния, не выдерживая периодического сжатия и расширения, разрушается, и батарея выходит из строя.
Как показали авторы разработки под руководством Сибани Лизы Бисвал (Sibani Lisa Biswal) из Райсовского университета, поры в кремнии, имеющие диаметр примерно 1 микрон и длину 10-50 микрон, делают структуру кремния устойчивой — они позволяют ей свободно расширяться, занимая объем пор, а затем вновь сжиматься по мере того, как аккумулятор проходит стадию перезарядки.
Дальнейшее развитие технологии, опирающейся на повсеместно используемый, а потому дешевый кремний, и отработанные технологии микроэлекроники, вскоре может привести к существенному прорыву в плане емкости литиевых батарей.
«Этот материал потенциально может значительно увеличить емкость литий-ионных батарей, используемых в настоящее время повсеместно в бытовых, аэрокосмических и военных нуждах», — сказал Steven Sinsabaugh (Стивен Синсабау), сотрудник компании Локхид-Мартин, принимавший участие в работе.
Существенно ускорить создание нового поколение литиевых аккумуляторов повышенной емкости позволит фундаментальное понимание механизма проникновения лития в структуру кремния, вызывающее появление в ней механического напряжения. Изучением этого вопроса ученые намерены заняться в первую очередь.
Используемый повсеместно в электронной промышленности полупроводниковый кремний, наделенный особыми микропорами, может заменить графит в современных литиевых аккумуляторах и повысить их емкость в 10 раз, сообщает пресс-служба Райсовского университета в США, где в ходе научной конференции ученые представили свои разработки.
Загрузка ...
