В Институте электродвижения МФТИ придумали способ продления работы высокоемких литий-ионных аккумуляторов с кремниевым анодом. Ученые вместо сплошной металлической подложки предложили использовать медную фольгу с перфорацией.
Емкость литий-ионных аккумуляторов уже достигает теоретического предела, а потребность в энергии только растет. Выйти за этот предел оказалось реально, если заменить традиционный графитовый анод на кремниевый. Его теоретическая емкость почти в десять раз выше, он быстро заряжается, работает при низких температурах и позволяет создавать тонкие и компактные устройства. В то же время применения кремниевого анода ограничено из-за быстрой деградации в процессе зарядки и разрядки.
Чтобы решить эту проблему, ученые МФТИ поменяли конструкцию токосъемной подложки анода. Вместо сплошного металла они использовали перфорированную медную фольгу с отверстиями диаметром 250 и 500 микрометров. Замена позволила сохранить емкость кремнийсодержащего анода с 60 до 90% после 100 циклов заряд-разряд. Похожего эффекта удалось добиться и при четырехкратном повышении тока разряда. Причем чем меньше диаметр отверстия, тем более выраженным оказался эффект стабилизации.
В работе ученые использовали только коммерчески доступные материалы и оборудование, которое часто встречается на производстве. Поэтому внедрить метод в производство можно уже сейчас.
«Накопленный опыт ученых со всего мира подсказал, что продлить ресурс батарей с анодом из кремния можно, например, с помощью губчатых металлических подложек со сложной трехмерной структурой. Но производить их дорого, а внедрять в серийное производство технологически сложно. Мы нашли другой, очень простой и легко масштабируемый вариант — перфорировать медную фольгу прежде, чем наносить на нее электродный материал. Так формируется нужная нам трехмерная структура анода с активным кремний-графитовым композитом, пронизывающим токопроводящий металлический лист. Эта конструкция гораздо более стабильна по сравнению с обычным электродом, где активный анодный материал нанесен ровным слоем на разные стороны токосъемника», — рассказал Валерий Кривецкий, заведующий лабораторией инженерии и технологий химических источников тока МФТИ.
«Мы еще не до конца понимаем, как перфорированная фольга позволяет стабилизировать работу кремнийсодержащих анодов. Скорее всего на это влияют и механические свойства такой взаимопроникающей структуры, и пропитка пористой пленки электролитом, и распределение связующих компонентов, и их прочное соединение с подложкой. Возможно, активный материал, который проникает в отверстия в фольге, выполняет роль «стежков» и прочно связывает обе стороны электрода между собой. Это не даёт ей отслаиваться», — добавила Олеся Каракулина, старший научный сотрудник лаборатории инженерии и технологий химических источников тока МФТИ.
«Наша следующая задача – масштабировать этот подход, опробовать его на анодных материалах с еще большим содержанием кремния и изготовить серию высокоемких аккумуляторов с большим циклическим ресурсом на участке экспериментального производства нашего института», — заключил Шахбоз Исокжанов, первый автор публикации, аспирант лаборатории инженерии и технологий химических источников тока МФТИ.
Исследование опубликовано в Journal of Composites Science.
