Кремний в системах хранения энергии обретает прочность Кремниевые микросферы обретают необычайную механическую прочность благодаря внедрению углеродных нанотрубок, из-за которых эти структуры начинают напоминать катышки пряжи. Иллюстрация Майкла Перкинса / PNNL
  • Дата:01.05.2020
  • Просмотры:562
  • Источник: SciTechDaily

Электрод с пористой структурой кремния демонстрирует изменение толщины менее чем на 20 процентов, при этом он вмещает вдвое больше заряда, чем типичный графитовый анод

Привычный материал, находящийся на кончике карандаша - графит - уже давно стал ключевым компонентом современных литий-ионных аккумуляторов. Однако, с увеличением зависимости от батарей растет и потребность в модернизации электродов на его основе. Для этого можно использовать другой материал - кремний.

Ученые придумали новый способ использования этого многообещающего, но проблемного компонента в устройствах накопления энергии. Кремний, используемый в компьютерных чипах и многих других вещах, привлекателен тем, что способен по сравнению с графитом вмещать в 10 раз больше электрического заряда на один грамм собственного веса. Проблема заключается в том, что, когда кремний взаимодействует с литием, он сильно расширяется, и он слишком хрупок, чтобы выдержать необходимое давление при изготовлении электродов.

Для решения этих проблем исследователи разработали уникальную наноструктуру, которая ограничивает расширение кремния при одновременном обогащении его углеродом. Работа, опубликованная в журнале Nature Communications, могла бы послужить основой для разработки новых материалов, применяемых для изготовления электродов в батареях других типов и, в конечном итоге, помочь увеличить энергоемкость аккумуляторов в электромобилях, электронных устройствах и другом оборудовании.

Учитывая минусы использования кремния

Хорошо проводящий и устойчивый вид углерода, графит хорошо подходит для упаковки ионов лития в анод аккумулятора при осуществлении зарядки. Кремний может поглощать больше лития, чем графита, но имеет тенденцию увеличиваться в объеме примерно на 300 процентов, что приводит к разрушению анода. Исследователи создали пористую структуру из кремния, объединив небольшие его частицы в микросферы диаметром около 8 микрометров - примерно размером с красное кровяное тельце - эритроцит.

«Твердый материал, например, такой как камень, сломается, если его слишком увеличить в объеме». «То, что было создано, более похоже на губку, где внутри есть пространство для компенсации расширения».

По данным исследования, электрод с пористой структурой кремния демонстрирует изменение толщины менее чем на 20 процентов, при этом он вмещает вдвое больше заряда, чем типичный графитовый анод. Однако, в отличие от других типов аналогичного кремния, полученные микросферы проявили необычайную механическую прочность, благодаря углеродным нанотрубкам, которые делают эти шары похожими на катышки пряжи.

Сверхсильные микросферы

Исследователи создавали эту структуру в несколько этапов, начав с покрытия углеродных нанотрубок оксидом кремния. Далее нанотрубки помещали в эмульсию масла и воды. Затем их кипятили.

«Углеродные нанотрубки с покрытием конденсируются в сферы, когда вода испаряется». «Материал подвергали воздействию высокой температуры для преобразования оксида кремния в кремний с последующим погружением в воду и кислоту для удаления побочных веществ». В результате этого процесса получается порошок, состоящий из углеродных нанотрубок, на поверхности которых находятся крошечные частицы кремния.

Прочность пористых кремниевых сфер проверяли с помощью сканирующего зонда атомно-силового микроскопа. Авторы обнаружили, что один из наноразмерных «катышков» «может слегка сжаться и потерять некоторую пористость при очень высоком давлении, но не разрушиться».

Это дает основание для дальнейшей коммерциализации, поскольку анодные материалы должны выдерживать высокое давление, проходя через ролики, во время производства.

Комментарии

Написать комментарий

Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности

Другие публикации по теме