Совместная исследовательская группа под руководством профессора Чэнь Ванхуа с факультета физических наук и технологий Университета Нинбо вместе с исследователями из Технологического университета Нинбо и Технологического института Нинбо объявила о прорыве в области анодных материалов для твердотельных литиевых батарей.
По сообщению китайских СМИ Global Times, команда успешно разработала новый анод из кремниевых нанопроволок с трехмерной «дышащей» структурой, вдохновленный естественными дыхательными механизмами, предлагая новый многообещающий путь для разработки высокопроизводительных полностью твердотельных литиевых батарей с кремниевым анодом. Результаты были недавно опубликованы в международном журнале энергетических материалов Energy Storage Materials.
Полностью твердотельные литиевые батареи широко рассматриваются учеными и промышленностью как «конечная цель» аккумуляторной технологии следующего поколения из-за их повышенной безопасности, более высокой плотности энергии и превосходных характеристик цикла. Среди потенциальных анодных материалов для этих современных батарей кремний выделяется своей исключительно высокой теоретической емкостью — в десять раз превышающей традиционные коммерческие графитовые аноды — и превосходной химической совместимостью. Однако практическое применение кремния было сильно ограничено из-за его резкого увеличения объема, превышающего первоначальный размер в три раза во время циклов зарядки и разрядки. Это расширение приводит к серьезному механическому напряжению, отслоению границы раздела и быстрому ухудшению электрохимических характеристик.
«Если мы сравним литиевую батарею со складом хранения энергии, то кремний станет признанным «суперпортером» с огромным потенциалом хранения», — объяснил профессор Чэнь Ванхуа. "Однако у этого "гиганта" чрезвычайно изменчивый характер: при поглощении ионов лития во время зарядки объем кремния резко увеличивается более чем в три раза. При повторяющихся циклах зарядки-разрядки кремний действует как воздушный шар, постоянно надувающийся и сдувающийся, а в конечном итоге "схлопывающийся" из-за истощения, что приводит к внезапному прекращению срока службы батареи".
Чтобы решить эту важную проблему, исследовательская группа разработала инновационное решение, позволяющее кремнию «свободно дышать» в жесткой твердотельной среде. Используя технологию плазменного химического осаждения из паровой фазы (PECVD), они разработали и изготовили новую трехмерную столбчатую кремниевую архитектуру, которая интегрируется непосредственно с токосъемником. Эта конструкция может похвастаться «двухфазной» структурой ядро-оболочка, полученной с помощью двухэтапного процесса PECVD.
«Мы отошли от традиционного «кремниевого порошка» и вместо этого заставили кремний «стоять», как деревья в лесу, переплетаясь, образуя трехмерную сеть на токосъемнике», — пояснил профессор Чен. "Между этими нанопроволоками имеется множество пустот, что очень похоже на установку бесчисленных "дыхательных клапанов" внутри батареи. Когда ионы лития проникают внутрь, кремниевые нанопроволоки могут расширяться в эти зарезервированные пространства, не разрушая окружающий электролит".
Экспериментальные результаты показывают, что этот столбчатый кремниевый анод демонстрирует исключительные электрохимические характеристики и практичность. Разработанная батарея доказала свою способность непрерывно подавать энергию, даже если ее сгибать или резать ножницами, демонстрируя замечательную механическую прочность и безопасность.
Это исследование устанавливает новую парадигму объединения кинетики ионного транспорта с механической целостностью посредством архитектурного проектирования. Он обеспечивает реальный и практический технический путь для разработки высокоэнергетических и долговечных полностью твердотельных литиевых батарей на основе кремния, приближая к реальности аккумуляторные технологии следующего поколения. сайт ChinaAutoZone.
Лю Мяо