Ученые Института электродвижения Московского физико-технического института (МФТИ) совершили прорыв в разработке литий-ионных аккумуляторов, предложив простой и технологичный способ в разы продлить работу высокоёмких батарей с кремниевым анодом. Вместо традиционной сплошной металлической подложки исследователи использовали медную фольгу с отверстиями, что позволило сохранить ёмкость аккумулятора на 90% после 100 циклов заряд-разряд.
Фото: МФТИ
Проблема кремниевых анодов и её решение
Кремниевые аноды обладают огромным потенциалом для аккумуляторных технологий — их теоретическая ёмкость почти в десять раз выше, чем у традиционных графитовых, они быстро заряжаются, работают при низких температурах и позволяют создавать тонкие и компактные устройства. Однако их практическое применение ограничено из-за быстрой деградации: при зарядке и разрядке частицы кремния поглощают и отдают ионы лития, что приводит к разбуханию анода и увеличению его объёма в три-четыре раза, а затем к сжатию. Этот процесс вызывает появление трещин и отслаивание, что быстро выводит аккумулятор из строя.
Простое и эффективное решение
Исследователи МФТИ нашли элегантное решение этой проблемы, изменив не состав анода, а конструкцию его токосъёмной подложки. Они использовали перфорированную медную фольгу с отверстиями диаметром 250 и 500 микрометров, созданную с помощью лазерного оборудования.
«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», — объяснил Валерий Кривецкий, заведующий лабораторией инженерии и технологий химических источников тока МФТИ.
Медная фольга после перфорации лазерным оборудованием с отверстиями диаметром от 250 до 500 мкм. Фото: МФТИ
Впечатляющие результаты
Эксперименты показали, что замена сплошной медной фольги на фольгу с отверстиями позволила сохранить ёмкость кремнийсодержащего анода с 60 до 90% после 100 циклов заряд-разряд. Похожего эффекта удалось добиться и при четырехкратном повышении тока разряда. Причём чем меньше диаметр отверстия, тем более выраженным оказался эффект стабилизации.
Механизм работы и перспективы внедрения
«Мы ещё 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», — добавила Олеся Каракулина, старший научный сотрудник лаборатории.
Важным преимуществом разработки является её готовность к внедрению в производство. Учёные специально использовали только коммерчески доступные материалы и оборудование, которое часто встречается на производстве.
«Наша следующая задача — масштабировать этот подход, опробовать его на анодных материалах с ещё большим содержанием кремния и изготовить серию высокоёмких аккумуляторов с большим циклическим ресурсом», — заключил Шахбоз Исокжанов, первый автор публикации, аспирант лаборатории.
Исследование опубликовано в журнале Journal of Composites Science и открывает новые перспективы для создания более ёмких, долговечных и доступных аккумуляторов для электромобилей, дронов и портативной электроники.
