Роман, подготовка следующего

23 декабря 2022 г.

издательство Университета Цинхуа

Производительность литий-ионных батарей будет иметь решающее значение для удешевления и упрощения перехода к экологически чистой технологии, что, в свою очередь, требует нового поколения материалов для анодов в этих батареях. Один из наиболее эффективных вариантов — композит кремний-моноксид-углерод — подвержен ряду нежелательных химических реакций. Новая технология приготовления этого анодного материала, похоже, наконец решила проблему.

Поиски следующего поколения материалов для анодов литий-ионных аккумуляторов уже давно страдают от серии паразитных химических реакций, возникающих из-за многих предлагаемых замен традиционно используемого графита. Новая технология получения композитного материала кремний-моноксид-углерод, похоже, наконец-то обеспечит желаемый прирост эффективности без каких-либо нежелательных побочных реакций.

Статья с описанием процесса появилась в журнале Nano Research.

С конца 1990-х годов большинство производителей литий-ионных батарей использовали графит в качестве анода батареи (отрицательная клемма, через которую в батарею поступает электрический ток), заменяя коксующийся уголь. Переход с кокса на графит, разновидность углерода, был сделан из-за его долгосрочной стабильности в течение многих циклов перезарядки и разгрузки.

Но чтобы еще больше улучшить характеристики литий-ионных аккумуляторов (и тем самым сделать переход от ископаемого топлива более дешевым и осуществимым), производителям аккумуляторов потребуются еще более совершенные аноды.

Одним из широко рекламируемых заменителей анодного материала графита являются соединения на основе кремния из-за их высокой удельной емкости (скорости разряда) и распространенности в земной коре. Моноксид кремния, в частности, показал большие перспективы для следующего поколения литий-ионных батарей высокой мощности.

Несмотря на это обещание, монооксид кремния сам по себе также имеет ряд недостатков, не в последнюю очередь присущую ему низкую проводимость и значительное изменение размера (объема) в ходе циклов перезарядки и разрядки. Эти изменения объема до 300 процентов приводят к разрушению и осыпанию анодных материалов, радикально снижая производительность.

«Однако, если монооксид кремния объединить в композитный материал с углеродом — своего рода смесь существующего графитового анодного материала и анода на основе кремния следующего поколения, мы можем стать победителем», — сказал Чжэнвэнь Фу, соавтор исследования и электрохимик Шанхайской ключевой лаборатории молекулярного катализа и инновационных материалов Фуданьского университета. «Композит предлагает лучшее из обоих миров. Но даже здесь предстоит преодолеть множество препятствий».

Углерод обладает преимуществом высокой электропроводности и вышеупомянутой структурной стабильности, а также испытывает гораздо меньшее объемное расширение во время езды на велосипеде. Его гибкость и смазывающая способность также препятствуют объемному расширению кремния. В целом, композитный анод обеспечивает хорошую емкость и высокую производительность при циклическом использовании.

К сожалению, решение одной группы проблем привело лишь к появлению другой: композитные аноды из кремния, монооксида углерода и углерода страдают относительно низкой кулоновской эффективностью. Кулоновский КПД, иногда называемый КПД по току, относится к отношению общего электрического заряда, вложенного в батарею, к общему заряду, извлеченному из нее. (Кулон — это термин, используемый для описания единицы электрического заряда.) Всегда будет выведено меньше, чем вложено, но цель состоит в том, чтобы свести такие неизбежные потери к минимуму.

Кулоновская эффективность имеет особое значение для повышения производительности и снижения стоимости колоссального количества батарей, которые нам понадобятся для электрификации транспортных средств и систем хранения энергии для резервного копирования переменных источников возобновляемой энергии, таких как ветер и солнечная энергия.