Našel způsob, jak zvýšit kapacitu lithium-iontových baterií 10krát

Po celém světě hledají desítky vědeckých skupin možnosti, jak výrazně zvýšit kapacitu lithium-iontových baterií. Zavádění křemíku do struktury je považováno za slibný směr, ale jeho křehkost, křehkost sloučenin na něm založených a další problémy to po dlouhou dobu neumožňovaly.

Vypadá to však, že vědcům v Japonsku se podařilo najít řešení problému s křemíkem. Přišli s novým designem anody z křemíkových oblouků velikosti nano, které dodávají potřebnou pevnost a odolnost.

Moderní lithium-iontové baterie a jejich nevýhody

Na úvod tedy jen pár slov o tom, jak fungují lithium-iontové baterie. Jak víte, baterie se skládá z dvojice elektrod (katoda a anoda) a elektrolytického roztoku. Hlavním úkolem elektrolytu je tedy přenos iontů lithia mezi katodou a anodou, která je právě vyrobena z grafitu.

Během nabíjení baterie se tedy lithiové ionty pohybují po dráze katoda - roztok - anoda. V procesu vybíjení dochází k pohybu iontů v opačném směru.

Tento design se osvědčil a funguje již více než tucet let. Hlavní nevýhodou celého tohoto laděného designu je však to, že pro uložení jednoho lithiového iontu musí být v grafitové anodě použito šest atomů uhlíku najednou. Z tohoto důvodu mají tyto baterie nízkou hustotu energie.

Křemík a jeho aplikace

Pokud se však podíváme na takový materiál, jako je křemík, pak je jeden z jeho atomů schopen vázat se čtyřmi ionty lithia najednou, což dává téměř desetinásobné zvýšení hustoty energie. Zdá se, že je vše v pořádku, ale vědci stále nebyli schopni stabilizovat křemík.

Vzhledem k tomu, že je náchylný k výraznému rozšíření (až 400% původního objemu), kontrakce a rozbití během provozu na baterii, pak všechny tyto deformační účinky zničily křemíkové anody dostatečně rychle.

Výzkumný tým z Okinawského institutu pro postgraduální technologie a technologie (OSIT) navrhl jejich řešení problému stabilizace křemíkové anody. Inženýři provedli celou řadu experimentů s vrstvami křemíku různých tloušťek při hledání zlatého průměru, ve kterém budou splněny podmínky vysoké hustoty energie a stability baterie.

Vědci zjistili, že s nárůstem křemíkové vrstvy dochází nejprve ke zvýšení tuhosti a po určitém okamžiku k prudkému poklesu. Bylo rozhodnuto podrobněji studovat důvod takového přechodu, a to se vědcům podařilo zjistit.

Ukázalo se, že když se křemík ukládá na kovové nanočástice, začnou se tvořit drobné sloupce ve formě obrácených kuželů, které směrem nahoru zesilují.

Ukazuje se, že s depozicí rostoucího počtu atomů křemíku a podle toho s růstem pilířů se stávají tak široké, že se navzájem dotýkají a vytvářejí tak klenutou strukturu nanometru měřítko.

Taková struktura je docela silná a dokonce ji lidé používají ve stavebnictví. A ukázalo se, že před vytvořením těchto nanooblouků je struktura poměrně slabá a jejich ještě větší růst vytváří houbovitou strukturu s otvory, což není tak efektivní.

A teprve v okamžiku vytvoření takových oblouků se vytvoří rovnováha, která umožňuje zajistit zvýšenou kapacitu nabíjení a je schopna odolat velkému počtu cyklů nabíjení / vybíjení.

Dosud není známo, kdy se nové lithium-iontové baterie se silikonovou anodou začnou prodávat, ale skutečnost, že tento směr je slibný, lze rozpoznat již v této fázi.

Líbil se vám materiál? Poté zvedněte prst a přihlaste se k odběru kanálu. Děkuji za pozornost!