Емкость накопленной энергии в ней в 10 раз больше, чем у аналогичных устройств
Химики разработали ячейки, кардинально улучшающие свойства литий-ионных микробатарей. Фото: pixabay.com/ Willfried Wende.
Сотрудники Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН (ИВТЭ УрО РАН) и Уральского федерального университета создали компьютерную модель электрохимической ячейки литий-ионной микробатареи. Емкость накопленной энергии в ней в 10 раз больше, чем у аналогичных устройств. Исключительные свойства ячейки — результат использования в качестве анодного элемента двухслойного силицена на графитовой подложке, а также твердого электролита. Статью со сравнительным описанием разработки ученые опубликовали в журнале Materials Science and Engineering.
«Отличие нашей работы в том, что мы исследовали не свободностоящий, так называемый „голый“ силицен, которому посвящено большинство теоретических научных работ, а ультратонкие подложки, в отдельности от которых силицен в настоящее время получить невозможно. Как подложку для силицена мы использовали множество материалов, в том числе серебро, никель, медь, алюминий. Выяснилось, что наиболее подходящий вариант — графитовая подложка, так как связь между силиценом и графитом достаточно слабая, поэтому графит не оказывает сильного влияния на двумерный кремний, и он во многом сохраняет свойства свободностоящего силицена», — рассказывает руководитель исследовательской группы, главный научный сотрудник лабораторий электродных процессов ИВТЭ УрО РАН и материалов и устройств для экологически чистой энергетики УрФУ Александр Галашев.
Более того, ученые выявили, что в сочетании с графитовой подложкой силицен склонен к металлизации. В нем появляется небольшая электронная проводимость, что делает использование силицена в ячейках литий-ионных батареей еще более целесообразным. Еще одно преимущество разработки — ее твердотельная конструкция.
«Мы испытали как жидкий, так и твердый электролит. Особенность жидкого электролита — в его высокой электропроводности, поэтому жидкие электролиты широко применяются в аккумуляторах и батареях для компьютеров, ноутбуков, смартфонов, сотовых телефонов и т. д. Но есть и существенный недостаток: при долгой работе батареи в жидком электролите образуются вытянутые цепочки металла (дендритов лития), это может привести к короткому замыканию и воспламенению устройства. Электропроводность твердого электролита на один-два порядка меньше, зато в твердой среде невозможно прорастание дендритов, поэтому твердый электролит абсолютно безопасен. А более совершенный анод компенсирует пониженную электропроводность электролита», — объясняет Александр Галашев.
К тому же в модели применяется тонкопленочный электролит. В этом случае электропроводность играет меньшую роль, чем в электролитах из плотных материалов толщиной, измеряемой микронами и даже миллиметрами.
В целом электропроводность разработанной ячейки оказалась достаточно высокой, ее теоретическая емкость — 3500 мАч/г-1. Следовательно, заряжаться готовая батарея, состоящая из нескольких сотен таких электрохимических ячеек, будет гораздо быстрее.
«Это принципиально важное качество, особенно для использования батарей в автомобильной промышленности. Литий-ионные аккумуляторы показали себя более перспективными, чем водородные топливные элементы. Однако на сегодняшний день их зарядка занимает в лучшем случае 3–5 часов. Таким образом, стоит задача максимально сократить время зарядки, до нескольких минут», — комментирует Александр Галашев.
Следует добавить, что созданная электрохимическая ячейка характеризуется также малыми размерами и низкой стоимостью.
В настоящее время в химико-технологическом институте УрФУ идет работа по созданию и испытанию экспериментального образца разработанной электрохимической ячейки. Физические свойства силицена пока еще мало изучены в экспериментах, и это добавляет уникальности совместному проекту ИВТЭ и УрФУ. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (№ 16-13-00061, Фундаментальные основы электрохимического синтеза новых электродных материалов на основе кремния).
Справка
Емкость батареи зависит от материала электродов (катода и анода) и электролита. В качестве материалов для катода используются сложные оксиды переходных металлов (например, кобальта, никеля, марганца и др.), и эта технология оправдывает себя. Основная проблема — в поиске материалов для отрицательного электрода — анода. Традиционно используемый графит и его углеродные заменители отличаются очень небольшой электрической емкостью, то есть способностью удерживать заряд при зарядке батареи: шесть атомов углерода удерживают только один атом лития, который отвечает за перенос заряда в батарее.
Один атом кремния, наиболее продуктивного, распространенного и дешевого заменителя графита, удерживает более четырех атомов лития. Таким образом, теоретическая емкость кремния более чем на порядок превосходит емкость графита. Однако при циклировании (зарядке и разрядке батареи) кристаллы кремния быстро изнашиваются: сильно изменяются в объеме, теряют исходную структуру, становятся аморфными и разрушаются. В аноде образуются трещины, и батарея выходит из строя. Разрушения становятся меньше, если применять наночастицы кремния, но они имеют плохое сцепление с удерживающим их (связующим) материалом, в том числе с графитом или графеном.
Открытый в 2010 году силицен (двумерное соединение кремния, по структуре и электронным свойствам подобный графену) легко взаимодействует с окружающей средой, связываясь с кислородом. Как и кремний, силицен обладает хорошей электрической емкостью, но при этом незначительно меняет свой объем в процессе циклирования. При использовании в электронике важно, чтобы силицен не имел точечных или линейных дефектов, которые изменяют его электронные свойства.
