Кремниевые аккумуляторы сделают электромобиль доступнее

Емкость аккумуляторных батарей – важнейший параметр, ограничивающий эксплуатационные характеристики современных электромобилей. В частности - именно от емкости зависит пробег от одного заряда. Но проблема не только в том, чтобы найти способ увеличения емкости. Надо найти решение технологичное и дешевое, пригодное для массового производства.

Именно над таким решением работают исследователи из Университета Райса. Недавно они предложили использовать в качестве отрицательного электрода в литиевых аккумуляторах кремний вместо графита, что позволит увеличить емкость батарей как минимум втрое.

Коллектив из Райса возглавляемый инженером Сибани Лиза Бисваль (Sibani Lisa Biswal) и научным сотрудником Мадхури Тхакур (Madhuri Thakur) разработал кремниевые электроды, выдерживающие до 600 циклов заряда-разряда. При этом удельная емкость нового материала составляет 1000 мА-час/грамм, в то время как обычные графитовые электроды удержать не более 350 мА-час/г.

В рамках долгосрочного сотрудничества с Центром нанотехнологий Lockheed Martin в Райсе университетские ученые работали над технологией пористых кремниевых пленок и достигли определенных успехов. О том, что кремний эффективнее графита было известно давно. Но проблема при работе с пленками состояла в том, что кремниевые наноструктуры, вбирая в себя ионы лития, разбухают втрое от начальных размеров. Это происходит с каждым зарядом. В результате периодических расширений и сжатий кремниевые электроды быстро приходят в негодность. Различные ухищрения, к которым прибегали исследователи, были эффективными, но сложными в практической реализации.

Настоящим достижением стало предложение Мадхури Тхакур растереть пленки в порошок. Раздробленные в порошок пористые наноструктуры кремния обладают огромной внешней поверхностью. Если площадь поверхности частиц порошка обычного кремния достигает 0,71 кв. м. на грамм порошка, то у материала, разработанного в Университете Райса она больше в 50 раз, и составляет 46 квадратных метров поверхности на каждый грамм веса.

Большая поверхность позволяет частицам контактировать с большим количеством ионов лития, что в конечном итоге означает большую удельную емкость. Однако «литирование» порошка не приводит к набуханию электрода, так как между отдельными частицами достаточно свободного места.

По словам Мадхури Тхакур порошок прост в производстве и его легко использовать для создания аккумуляторов. Материал экономически эффективен, и обеспечивает высокую концентрацию энергии при большом количестве зарядно-разрядных циклов.

Приведенная выше цифра удельной емкости 1000 мА-час на грамм вещества достигнута практически в лабораторных условиях. Исследователи изготовили половину ячейки аккумулятора, у которой положительный электрод выполнен из металлического лития. Но, несмотря на то, что полученное значение в три раза выше, чем для графитовых электродов, оно, как предполагают ученые, составляет лишь третью часть теоретического потенциала.

В планах ученых создание и тестирование полной аккумуляторной батареи, а также эксперименты с использованием в качестве катода новых перспективных материалов, таких как оксид кобальта.

Автор: Алексей Норкин