DigitalArtSpace

Сотрудничество ученых из Нинбоского университета (профессор Чен Ванхуа возглавлял группу) и специалистов из Нинбоского технологического университета и Нинбоского технологического института привело к значительному прогрессу в разработке материалов для анодов твердотельных литий-ионных аккумуляторов.

Благодаря вдохновению природными процессами дыхания, команда создала инновационный кремниевый нанопроволочный анод с трехмерной пористой структурой. Эта разработка открывает значительные возможности для создания эффективных твердотельных литиевых батарей, использующих кремниевые аноды.

Твердотельные литий-ионные аккумуляторы вызывают значительный интерес у исследователей и представителей индустрии, поскольку считаются перспективным направлением развития технологий хранения энергии благодаря улучшенной безопасности, более высокой удельной энергии и превосходным характеристикам долговечности. Среди потенциальных материалов для изготовления электродов таких аккумуляторов кремний привлекает внимание своей выдающейся теоретической емкостью, которая в десять раз выше, чем у обычно используемых графитовых электродов, а также хорошей химической совместимостью. Тем не менее, внедрение кремния в практические устройства затруднено его значительным увеличением объема, превышающим изначальный размер более чем в три раза в процессе зарядки и разрядки. Данное изменение приводит к возникновению интенсивных механических напряжений, отслоению границ зерен и быстрому снижению электрохимических свойств.

«Сравнивая литиевую батарею с накопителем энергии, можно сказать, что кремний является признанным «суперносителем», обладающим значительным потенциалом для хранения, — отметил профессор Чен Ванхуа. — Однако этот «лидер» отличается крайней нестабильностью: при поглощении ионов лития в процессе зарядки объем кремния значительно возрастает, увеличиваясь более чем в три раза. В ходе многократных циклов зарядки и разрядки кремний ведет себя подобно постоянно надувающемуся и сдувающемуся воздушному шару, в конечном итоге «сдуваясь» из-за истощения, что приводит к резкому уменьшению продолжительности работы батареи».

Для решения этой важной задачи исследовательская группа создала новое решение, обеспечивающее возможность диффузии кремния в плотной твердотельной среде. С помощью технологии плазменно-усиленного химического осаждения из газовой фазы (PECVD) была спроектирована и изготовлена новая трехмерная столбчатая кремниевая структура, которая непосредственно интегрируется с токосъемником. Данная конструкция имеет «двухфазную» структуру типа «ядро-оболочка», полученную посредством двухэтапного процесса PECVD.

«Отказ от привычной формы кремния в виде порошка позволил нам создать структуру, где кремний располагается вертикально, подобно стволам деревьев в лесу, формируя трехмерную сеть на токосъемнике, — объяснил профессор Чен. — Пространство между этими нанопроволоками заполнено множеством пустот, которые можно сравнить с бесчисленными «дыхательными клапанами», встроенными в батарею. Благодаря этому, при поступлении ионов лития кремниевые нанопроволоки способны увеличиваться в объеме, используя эти зарезервированные пространства, не повреждая при этом окружающий электролит».

Проведенные эксперименты подтверждают, что данный столбчатый кремниевый анод характеризуется выдающимися электрохимическими свойствами и высокой применимостью. Созданная батарея продемонстрировала возможность стабильного питания даже при деформации, например, при сгибании или разрезании ножницами, что свидетельствует о её замечательной механической стойкости и безопасности.

Похожие статьи

Новый алгоритм Дарвина-Гёделя учит искусственный интеллект самостоятельно программировать.

В США производят эффективные процессоры: тайванские чипы TSMC возвращаются на родину для завершения производства.

В продаже — новая Lada Granta с увеличенным дорожным просветом

Новые модели Kia могут появиться на российском рынке.

Недорогой аналог Toyota Camry с пробегом более 2000 км завоевал популярность

Рамный внедорожник BAW 212 T01 с мощным двигателем: «Китайский УАЗ» с комфортом.