Оловянные нанокристаллы увеличивают энергоёмкость батареи

Группа ученых под руководством Максима Коваленко из лаборатории неорганической химии в Швейцарской высшей технической школе Цюриха и Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий смогли получить новый тип наноматериала, помогающий сохранить в литиевом аккумуляторе значительно больше энергии.

Наноматериал состоит из крошечных фрагментов олова, которые закрепляются на аноде аккумулятора, его отрицательном полюсе. Принцип действия достаточно прост: во время заряда ионы лития поглощаются электродом, а во время работы батареи и её разрядки они выпускаются обратно. Как объясняет сам Коваленко, чем больше ионов поглощается в процессе такого «дыхания», тем больше энергии может быть сохранено в аккумуляторе.

Выбор элемента для построения наноматериала был продиктован тем, что каждый атом олова может поглощать до четырёх ионов атомов лития. Здесь, однако, возникает проблема физического размера: кристалл олова увеличивается в размерах до трёх раз при поглощении ионов и уменьшается при их отдаче.

Именно поэтому исследователи решили использовать нанотехнологии, чтобы произвести мельчайшие нанокристаллы олова и встроить их в углеродную матрицу для получения губчатого токопроводящего материала электрода. Словно губка воду этот материал захватывает и удерживает ионы лития во время зарядки и выпускает их во время работы аккумулятора. Если бы анод был сделан из цельного куска олова, подобного эффекта пронаблюдать бы не удалось.

Во время разработки возникали проблемы определения идеального размера и создания однотипных, похожих друг на друга нанокристаллов. Последний вопрос был решён путём регулирования температуры и времени фазы роста кристаллов. Учёный с немецкой фамилией Коваленко хвастается, что его группе первой удалось создать нанокристаллы с такой точностью.

По сравнению с батареями с обычными электродами обещается двухкратный прирост хранимой энергии. Аккумуляторы с нанокристаллами не сильно отличались при первых разрядке и зарядке, но уже после нескольких циклов работы различия, вызванные десятинанометровыми кристаллами на электродах, стали явными.

На данный момент был выяснен оптимальный размер нанокристаллов, и теперь команда хочет достичь знания о других максимально производительных компонентах: лучшей углеродной матрице, лучшем связывающем веществе для электродов, лучшей микроскопической структуре электродов, идеальнейшем электролите. Также учёные будут прорабатывать и вопросы стоимости своих решений.

Элементы питания со значительно большей емкостью могут стать приятной новостью не только для владельцев и производителей портативной бытовой электроники, но и для индустрии электромобилей. Относительно легкие и портативные литий-ионные батареи сегодня используются не только в телефонах, смартфонах, ноутбуках, но и в электрических автомобилях и мотоциклах. В частности, в разработке более эффективных элементов питания для электромобилей заинтересовано Министерство энергетики США.
По материалам phys.org и публикации Monodisperse and Inorganically Capped Sn and Sn/SnO2 Nanocrystals for High-Performance Li-Ion Battery Anodes.