Взбодрить аккумулятор
Вид сбоку: микрофотография среза электрода со структурой наностенки/кремний/наностенки. Источник: Виктор Кривченко/МГУ

Вид сбоку: микрофотография среза электрода со структурой наностенки/кремний/наностенки. Источник: Виктор Кривченко/МГУ

Литий-ионные аккумуляторы станут эффективнее

Сотрудники Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына (НИИЯФ) вместе с коллегами Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова разработали новый материал на основе кремния и германия, с помощью которого можно существенно улучшить характеристики литий-ионных аккумуляторов. Результаты работы опубликованы в Journal of Materials Chemistry A.

Литий-ионные аккумуляторы — самый широко используемый тип накопителей энергии в современных электронных устройствах. Они состоят из двух электродов - отрицательного (анода) и положительного (катода) - помещенных в герметичный корпус. Пространство между ними заполнено пористым сепаратором, пропитанным электролитом — растворенной литиевой солью. Сепаратор предотвращает короткое замыкание между разнополярными электродами и обеспечивает необходимый для высокой ионной проводимости запас электролита.

Электрический ток во внешней цепи возникает, когда ионы лития движутся из вещества анода через электролит в вещество катода. При этом энергоемкость литий-ионного аккумулятора во многом определяется количеством ионов лития, которые могут принять и перенести активные материалы анода и катода.

Вид сверху: микрофотография пленок кремния (сверху) и германия (снизу) на поверхности наностенок. Источник: Виктор Кривченко/МГУ

«Сегодня особое внимание уделяется разработке новых анодных материалов на основе кремния (Si) и германия (Ge). Взаимодействуя с ионами лития, эти химические элементы образуют сплавы с энергоемкостью значительно выше энергоемкости графита — традиционного материала для анодов литий-ионных аккумуляторов», — рассказал один из авторов статьи, кандидат физико-математических наук Виктор Кривченко, старший научный сотрудник лаборатории Физики плазмы и физических основ микротехнологии отдела микроэлектроники НИИЯФ МГУ.

Из всех известных анодных материалов кремний обладает наивысшей теоретической литиевой емкостью, достигающей 4200 мАч/г, что делает его наиболее перспективным материалом для аккумуляторов нового поколения. В свою очередь германий, хотя он дороже и менее емкий, лучше проводит через себя электрический ток. При этом перенос ионов лития (диффузия) внутри германия протекает на несколько порядков интенсивнее, чем внутри кремния. Такие особенности германия позволяют значительно увеличить мощность литий-ионных аккумуляторов без существенного изменения их объема.

Главная проблема электродов заключается в том, что их структура в результате многократного процесса заряда и разрядки разрушается. Ученые предложили решить эту проблему с помощью перехода к наноструктурированным материалам и созданию композитных материалов, в которых стабилизирующей матрицей могут выступать разные углеродные наноструктуры. Так что альтернативный вариант решения — переход от традиционного двухмерного к трехмерному распределению активного вещества на поверхности электродов.

«Главная новизна нашей работы заключается в том, что для создания анода на основе кремния и германия использовалась матрица, сформированная плазмохимически синтезированными углеродными структурами с очень развитой поверхностью. Эти структуры представляют собой плотный массив графеноподобных наностенок, ориентированных перпендикулярно к поверхности металлической подложки», — уточнил Виктор Кривченко.

Метод магнетронного напыления позволил однородно покрыть поверхность наностенок слоем кремния или германия толщиной 10 - 50 нанометров. При этом конечная структура композитного анода может состоять как из одного слоя активного материала, так и из чередующихся слоев. В результате было показано, что полученная трехмерная архитектура позволяет достигнуть высокой удельной емкости и повышает стабильность удельных характеристик анодов на основе кремния и германия.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Университета Дубна, Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева (Казахстан) при технической поддержке специалистов компании «Инжиниринговый инкубатор».

Врачи-роботы: вылечить без эмоций Далее в рубрике Врачи-роботы: вылечить без эмоцийТомские ученые разработали мобильного робота, который  может оказывать первую медицинскую помощь пострадавшим в местах военных действий и ЧС. Читайте в рубрике «Инновации» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»Сооснователь IT-гиганта представил в Технопарке МФТИ настоящий гоночный болид «Формулы-1» Станислав Протасов: «Технологии Acronis спасают миллионы»

Комментарии

Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Интересное в интернете
80 000 подписчиков уже с нами!
Читайте «Русскую планету» в социальных сетях и участвуйте в дискуссиях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»