Ученые Института электродвижения МФТИ нашли простой и технологичный способ в разы продлить работу высокоёмких литий-ионных аккумуляторов с кремниевым анодом — вместо сплошной металлической подложки использовать медную фольгу с отверстиями. Работа позволит сильно удешевить и масштабировать производство компактных и энергоёмких батарей. Исследование опубликовано в Journal of Composites Science.
Электромобили, дроны, портативная электроника — работу всех этих устройств обеспечивают литий-ионные аккумуляторы. Их ёмкость уже достигает теоретического предела, а потребность в энергии только растёт.
Выйти за этот предел вполне реально, если заменить традиционный графитовый анод на кремниевый. Его теоретическая ёмкость почти в десять раз выше, он быстро заряжается, работает при низких температурах и позволяет создавать тонкие и компактные устройства. Но его применение ограничено из-за быстрой деградации в процессе зарядки и разрядки. Когда частицы кремния поглощают и отдают ионы лития, анод сильно разбухает, увеличивается в объёме в три-четыре раза, а затем сжимается. Это быстро приводит к появлению трещин и отслаиванию, и аккумулятор выходит из строя.
Решение нашли учёные МФТИ: они поменяли не состав анода, а конструкцию его токосъёмной подложки. Вместо сплошного металла они использовали перфорированную медную фольгу с отверстиями диаметром 250 и 500 микрометров.
«Накопленный опыт учёных со всего мира подсказал, что продлить ресурс батарей с анодом из кремния можно, например, с помощью губчатых металлических подложек со сложной трёхмерной структурой. Но производить их дорого, а внедрять в серийное производство технологически сложно. 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. Эта конструкция гораздо более стабильна по сравнению с обычным электродом, где активный анодный материал нанесен ровным слоем на разные стороны токосъёмника», — рассказал 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. Источник: Journal of Composites Science
Эксперименты показали: 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.
«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. Возможно, активный материал, который проникает в отверстия в фольге, выполняет роль «стежков» и прочно связывает обе стороны электрода между собой. Это не даёт ей отслаиваться», — добавила Олеся Каракулина, старший научный сотрудник лаборатории инженерии и технологий химических источников тока МФТИ.
Внедрить инновацию в производство можно уже сейчас, ведь в работе 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 на участке экспериментального производства нашего института», — заключил Шахбоз Исокжанов, первый автор публикации, аспирант Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики МФТИ.
