Группа исследователей под руководством профессора Чен Ванхуа с факультета физических наук и технологий Нинбоского университета, совместно с исследователями из Нинбоского технологического университета и Нинбоского технологического института, объявила о прорыве в области материалов для анодов твердотельных литий-ионных батарей.

Команда успешно разработала новый кремниевый нанопроволочный анод с трехмерной «дышащей» структурой, вдохновленной естественными механизмами дыхания, что открывает многообещающие перспективы для разработки высокоэффективных твердотельных литиевых батарей с кремниевыми анодами.

Твердотельные литий-ионные батареи широко рассматриваются учеными и промышленностью как «конечная цель» для технологий батарей следующего поколения благодаря повышенной безопасности, более высокой плотности энергии и превосходным характеристикам циклической работы. Среди потенциальных анодных материалов для этих передовых батарей кремний выделяется своей исключительно высокой теоретической емкостью — в десять раз превышающей емкость традиционных коммерческих графитовых анодов — и отличной химической совместимостью. Однако практическое применение кремния серьезно ограничено его резким увеличением объема, более чем в три раза превышающим первоначальный размер во время циклов заряда и разряда. Это расширение приводит к сильному механическому напряжению, отслоению границы раздела и быстрому ухудшению электрохимических характеристик.

«Если сравнить литиевую батарею со складом для хранения энергии, то кремний — это признанный «суперноситель» с огромным потенциалом хранения, — объяснил профессор Чен Ванхуа. — Однако этот «гигант» обладает крайне нестабильным характером: при поглощении ионов лития во время зарядки объем кремния резко увеличивается более чем в три раза. При многократных циклах зарядки-разрядки кремний ведет себя как постоянно надувающийся и сдувающийся воздушный шар, в конечном итоге «сдуваясь» из-за истощения, что приводит к внезапному сокращению срока службы батареи».

Для решения этой важнейшей задачи исследовательская группа разработала инновационное решение, позволяющее кремнию «свободно дышать» в жесткой твердотельной среде. Используя технологию плазменно-усиленного химического осаждения из газовой фазы (PECVD), они спроектировали и изготовили новую трехмерную столбчатую кремниевую архитектуру, которая напрямую интегрируется с токосъемником. Эта конструкция имеет «двухфазную» структуру типа «ядро-оболочка», полученную в результате двухэтапного процесса PECVD.

«Мы отошли от традиционного „кремниевого порошка“ и вместо этого заставили кремний „стоять“ подобно деревьям в лесу, переплетаясь и образуя трехмерную сеть на токосъемнике, — пояснил профессор Чен.  — Между этими нанопроволоками имеется множество пустот, подобно установке бесчисленных „дыхательных клапанов“ внутри батареи. Когда ионы лития поступают внутрь, кремниевые нанопроволоки могут расширяться в эти зарезервированные пространства, не разрушая окружающий электролит».

Результаты экспериментов показывают, что этот столбчатый кремниевый анод обладает исключительными электрохимическими характеристиками и практичностью. Разработанная батарея продемонстрировала способность непрерывно подавать питание даже при сгибании или разрезании ножницами, показав замечательную механическую прочность и безопасность.