«Щадящий» режим обеспечит стабильную работу батарей высокой ёмкости

Результатом работы исследователей из Инженерной школы Брауна при хьюстонском Университете Райса стало открытие ранее неизвестного механизма захвата ионов лития, который вносит свой вклад в ухудшение срока жизни литий-ионных батарей.

Кроме того, в публикации ACS Applied Energy Materials участник этой работы,Сибани Бисвал (Sibani Lisa Biswal), сообщила о найденном ею оптимальном режиме, обеспечивающем литий-ионным элементам с высокоёмким кремниевым катодом долгую и стабильную эксплуатацию.

Традиционные литий-ионные батареи используют графитовые аноды, ёмкость которых не превышает 400 мАч/г. Использование вместо графита кремния, в принципе, может увеличивать ёмкость на порядок. К сожалению, при поглощении лития кремний разбухает, и создаваемые при этом напряжения могут приводить к разрушению анода.

Группа Бисвал вышла из положения, сделав кремний пористым, что оставляло внутри него свободное пространство для расширения. Но, что более важно, учёные принудительно ограничили максимальную удельную ёмкость кремниевого катода значением в 1000 мАч/г. Именно эта, найденная ими опытным путём «золотая середина» позволила экспериментальным батареям устойчиво работать на протяжении нескольких сот циклов перезарядки и при этом демонстрировать превосходную ёмкость.

«Максимальная ёмкость сильно перенапрягает материал, поэтому мы выработали стратегию получения прироста ёмкости без такой нагрузки, – сказала Бисвал. – 1000 миллиампер-часов на грамм, это всё ещё большой шаг вперед».

Пористый кремниевый анод использовался в тестовых прототипах в комбинации с высоковольтными катодами из оксида никеля/марганца/кобальта (NMC). На некоторые из таких катодов атомно-слоевым осаждением было нанесено алюминиевое покрытие. Слой алюминия толщиной 3 нм защищал катод от разрушения в присутствии фтористоводородной кислоты, которая образуется при попадании в жидкий электролит даже мельчайших количеств воды.

Сравнительные испытания показали, что присутствие алюминия ускоряет зарядку батареи и уменьшает количество циклов её эксплуатации. Авторы объясняют это тем, что, вероятно, в результате быстрого переноса ионов лития через алюминий происходит значительное их улавливание в этом слое. Науке известно множество механизмов захвата лития кремнием, но о поглощении его алюминием сообщается впервые. Данный процесс продолжается до полного насыщения, после чего слой алюминия становится катализатором быстрого транспорта ионов в катод и из него.

«Такой механизм захвата лития эффективно защищает катод, помогая поддерживать стабильную ёмкость и плотность энергии для ячеек в целом», – поясняется в статье.