Новейшая разработка литий-ионного аккумулятора увеличит энергоемкость и скорость заряда в 10 раз
В течение многих лет, разработчики аккумуляторов искали решения в области хранения электроэнергии, которые могли бы заменить литий-ионные аккумуляторы, используемые в настоящее время во всем — от ноутбуков до смартфонов и даже на автомобилях. Оказалось все намного проще, нужно просто доработать текущую технологию. Исследователи из университета Northwestern модернизировали литий-ионный аккумулятор, который может вмещать в 10 раз больше заряда и заряжаться в 10 раз быстрее по сравнению с существующими аккумуляторами на рынке.
Литий-ионные аккумуляторы работают посредством химической реакции, в которой ионы лития меняются местами между двумя концами батареи, известные как анод и катод. Электрический заряд передается в устройство в процессе движения ионов через электролит. Когда батарея заряжается, ионы движутся в противоположном направлении, от катода к аноду.
Текущая разработка анода основана на графеновых листах — слоев углерода толщиной в один атом, которые накапливают ионы лития. Но эти аноды могут накапливать только один атом лития на каждые шесть атомов углерода, что является довольно низкой плотностью заряда. Разработчики провели эксперименты с материалами, такими как кремний, который может накапливать четыре атома лития на каждый атом кремния, а кремний имеет тенденцию значительно расширяться и сжиматься в процессе зарядки, заставляя его дробиться на части. Это сокращает срок службы анодов естественным образом.
Разработка на основе графена также замедляет скорость заряда. Из-за геометрии очень тонких, но очень длинных графеновых листов, ионам лития приходится совершать более длинное передвижение к краям листов графена и накапливаться между его слоями, что значительно замедляет скорость заряда.
Команда исследователей из университета Northwestern значительно продвинулась в решении этой проблемы путем пересмотра технологии анода, применив гибридный графен – технология на основе кремния, которая одновременно повышает мощность и уровень заряда. Во-первых, они зажали слои кремния между листами графена, позволяя перемещаться большему количеству ионов лития. Кремний по-прежнему расширяется и сжимается в процессе зарядки и разрядки, но гибкость графена держит анод в целостности. Кремний может дробиться на части, но он по-прежнему остается на месте, позволяя аноду вмещать больший заряд.
Команда исследователей также использовала химическое окисление, чтобы пробить крошечные отверстия в графеновых листах, диаметром от 10 до 20 нанометров, для того, чтобы ионы лития могли перемещаться по графену вместо того, чтобы двигаться к краям анода. Этот кратчайший путь позволяет ионам лития накапливаться в аноде в 10 раз быстрее во время зарядки.
И это касается только анода. Следующий этап исследователей будет состоять в пересмотре технологии катода к дальнейшему росту его эффективности и производительности. Улучшенная литий-ионная батарея сможет выйти на рынок уже в ближайшие три года.
