Lithium-ion-batterier får mere effektivitet på grund af silicium, germanium, kulstof nanovægge

Medlemmer af D. V. Skobeltsyn Institute of Nuclear Physic og kolleger fra Fakultet for Kemi ved Lomonosov Moscow State University har udviklet et nyt silicium- og germaniumbaseret materiale, der kan øge de specifikke egenskaber ved lithium-ion-batterier betydeligt. Forskningsresultaterne er blevet offentliggjort i Journal of Materials Chemistry A .

Lithium-ion-batterier er den mest populære type energilagringssystem til moderne elektroniske enheder. De består af to elektroder - de negative (anode) og positive (katoder), som er placeret i et hermetisk kabinet. Mellemrummet er fyldt med en porøs separator, gennemsyret af en lithiumion-ledende elektrolytopløsning. Separatoren forhindrer kortslutninger mellem de bipolare elektroder og giver elektrolytvolumen, nødvendig for iontransport. Elektrisk strøm i et eksternt kredsløb genereres, når lithiumioner ekstraheres fra anodematerialet og bevæger sig gennem elektrolytten med yderligere indsættelse i katodemateriale. Imidlertid, den specifikke kapacitet for et lithium-ion-batteri er stort set defineret af antallet af lithiumioner, der kan accepteres og overføres af aktive materialer i anoden og katoden.

Forskerne har udviklet og studeret et nyt anodemateriale, der gør det muligt at øge energieffektiviteten af ​​Li-ion-batterier betydeligt. Materialet er egnet til brug i både bulk- og tyndfilm Li-ion-batterier.

Fysiker Victor Krivchenko, en af ​​forfatterne, siger, "Der er i øjeblikket meget opmærksomhed på udarbejdelse af silicium- og germaniumbaserede anodematerialer. Ved interaktion med lithiumioner, disse elementer er i stand til at generere legeringer, hvis specifikke kapacitet teoretisk overstiger grafit, det traditionelle anodemateriale, der bruges i moderne lithium-ion-batterier. "

Blandt alle kendte anodematerialer, silicium besidder den højeste lithium gravimetriske kapacitet, teoretisk set op til 4200 mAh/g. Dette gør det til det mest lovende materiale til batterier med forbedret energitæthed. Germanium er dyrere og har mindre gravimetrisk kapacitet end silicium. Imidlertid, det er bedre til at lede strøm. I øvrigt, lithiumiondiffusion inde i germanium er flere størrelsesordener hurtigere end inde i silicium. Disse særegenheder ved germanium giver en betydelig stigning i batteriets strømtæthed uden væsentlig ændring af volumen.

Hovedproblemet med elektrodematerialerne er, at deres struktur undergår betydelig nedbrydning i den cykliske proces med opladning og afladning, resulterer i batterisvigt. Forskerne foreslår at løse dette problem med nanostrukturerede materialer og udvikling af kompositmaterialer, hvor kulstofnanostrukturer kan anvendes som stabiliserende matricer. Overgang fra traditionel todimensionel til tredimensionel distribution af et aktivt materiale på elektrodeoverfladen kunne betragtes som en alternativ løsning.

Victor Krivchenko siger, "Projektets største nyhed er ideen om at bruge en matrix dannet af plasmadyrkede kulstofstrukturer med meget kompleks overfladearkitektur til implementering af silicium- og germaniumbaserede anodematerialer med ønskede strukturelle og funktionelle egenskaber. Sådanne strukturer består af tætte vifte af grafenlignende nanovægge, lodret orienteret mod overfladen af ​​et metallisk substrat. "

Forskerne har anvendt magnetron -forstøvningsteknikken, tilvejebragt homogen belægning af nanowalloverflader med 10 til 50 nm tykke silicium- eller germaniumlag. På samme tid, den endelige struktur af den sammensatte anode kunne være sammensat af et eller vekslende lag af aktivt materiale. Det blev vist, at den opnåede tredimensionelle arkitektur giver høj specifik kapacitet og øger stabiliteten af ​​specifikke egenskaber ved silicium- og germanium-baserede anoder.

Videnskabsmanden siger, "Forskningsresultaterne kunne teknologisk understøtte yderligere udarbejdelse af lovende elektrodematerialer til næste generations energilagringssystemer. I forbindelse med projektet, forskerne har opnået resultater i verdensklasse inden for ny nanostruktureret materialeapplikation, sammen med at udarbejde og studere deres elektrokemiske og fysisk -kemiske egenskaber. Undersøgelserne har givet nye eksperimentelle data vedrørende nanostrukturadfærd i elektrokemiske systemer. "