Команда исследователей под руководством профессора Чен Ванхуа из Факультета физических наук и технологий Нинбоского университета, совместно с коллегами из Нинбоского политехнического университета и Нинбоского технологического института, объявила о значительном прорыве в области твердотельных литий-ионных аккумуляторов. В фокусе их работы — инновационные анодные материалы на основе кремния.
Как сообщают китайские СМИ, в частности Global Times, команде удалось разработать уникальный кремниевый нанопроволочный анод с трехмерной «дышащей» структурой. Ее концепция была вдохновлена естественными механизмами дыхания, что открывает новые перспективы для создания высокоэффективных твердотельных литий-ионных аккумуляторов с кремниевым анодом. Результаты этих исследований были недавно опубликованы в авторитетном международном журнале по материалам для хранения энергии — Energy Storage Materials.
Ученые и представители индустрии единогласно признают твердотельные литий-ионные аккумуляторы «вершиной» технологий следующего поколения. Их ключевые преимущества — повышенная безопасность, более высокая плотность энергии и превосходная циклическая стабильность. Среди перспективных анодных материалов для таких аккумуляторов кремний выделяется своей выдающейся теоретической емкостью, превышающей в десять раз емкость традиционных коммерческих графитовых анодов, а также отличной химической совместимостью. Однако практическое применение кремния долгое время сдерживалось его существенным изменением объема — более чем в три раза при циклах заряда-разряда. Это расширение порождало серьезные механические нагрузки, приводило к отслоению границы раздела фаз и, как следствие, к быстрому снижению электрохимических характеристик.
«Если представить литий-ионный аккумулятор как склад для хранения энергии, то кремний — это признанный ‘суперносильщик’ с колоссальным потенциалом,» — поясняет профессор Чен Ванхуа. — «Однако у этого ‘гиганта’ чрезвычайно неустойчивый характер: при поглощении ионов лития во время зарядки объем кремния резко увеличивается более чем в три раза. Повторяющиеся циклы заряда-разряда подобны постоянному надуванию и сдуванию воздушного шара, который в конечном итоге ‘схлопывается’ из-за истощения, приводя к внезапному прекращению срока службы аккумулятора.»
Чтобы решить эту критическую проблему, исследовательская группа предложила новаторское решение, позволяющее кремнию «свободно дышать» в жесткой твердотельной среде. Используя технологию плазменно-улучшенного химического осаждения из газовой фазы (PECVD), они разработали и изготовили новую трехмерную столбчатую кремниевую архитектуру, интегрированную непосредственно с токосъемником. Эта конструкция имеет «двухфазную» структуру «сердцевина-оболочка», полученную в результате двухэтапного процесса PECVD.
«Мы отошли от традиционного ‘кремниевого порошка’, вместо этого заставив кремний ‘стоять’, подобно деревьям в лесу, переплетаясь и формируя трехмерную сеть на поверхности токосъемника,» — добавляет профессор Чен. — «Эти нанопроволоки имеют обильные пустоты между собой, что сродни установке бесчисленных ‘клапанов для дыхания’ внутри батареи. Когда ионы лития устремляются внутрь, кремниевые нанопроволоки могут расширяться в эти свободные пространства, не сжимая окружающий электролит.»
Результаты экспериментов демонстрируют, что этот столбчатый кремниевый анод обладает исключительными электрохимическими характеристиками и практичностью. Разработанный аккумулятор способен непрерывно подавать энергию даже будучи согнутым или разрезанным ножницами, что свидетельствует о его выдающейся механической прочности и безопасности.
Данное исследование закладывает новую парадигму в унификации кинетики транспорта ионов с механической целостностью посредством архитектурного дизайна. Оно предлагает осуществимый и практичный технический путь для разработки энергоемких, долговечных твердотельных литий-ионных аккумуляторов на основе кремния, приближая технологии следующего поколения к реальности.
