Российские ученые продлили работу высокоемких батареек в 4 раза

Ученые из МФТИ придумали оригинальное решение для продления срока службы высокоемких литий-ионных аккумуляторов

Представьте, что срок службы смартфона, работающего сегодня в среднем года три, увеличился в четыре раза, а емкость — в полтора! Простой и технологичный способ в несколько раз продлить работу литий-ионных аккумуляторов нашли ученые Института электродвижения МФТИ. И сделали они для этого всего-ничего – наделали отверстий по всей площади металлической подложки, на которой располагается электрод. Научный труд был опубликован недавно в Journal of Composites Science.

Электромобили, дроны, портативная электроника – работу всех этих устройств обеспечивают литий-ионные аккумуляторы. Емкость самых распространенных сейчас батареек с графитовым анодом (отрицательным электродом) уже достигает теоретического предела, а потребность в энергии только растёт.

Справка «МК»: как работает литий-ионный аккумулятор. Зарядка и разрядка батарейки происходят за счет перемещения ионов лития между катодом (положительным электродом) и его антиподом – анодом. Во время зарядки ионы лития перемещаются от катода к аноду, а во время разрядки – от анода к катоду.

Выйти за этот предел, к примеру, раза в  полтора увеличить емкость литий-ионных батарей, вполне реально, если заменить традиционный графитовый анод на анод с кремнием. В этот материал может войти в примерно в 10 раз больше ионов лития, чем в графит, он быстро заряжается, работает при низких температурах и позволяет создавать тонкие и компактные устройства.

Но есть проблема: применение кремния в батарейках ограничено из-за быстрой его деградации в процессе зарядки и разрядки. Когда частицы кремния поглощают и отдают ионы лития, анод сильно разбухает, увеличивается в объёме в три-четыре раза, а затем сжимается. Это быстро приводит к появлению трещин, отслаиванию, и аккумулятор довольно быстро выходит из строя. Хватает буквально десятка перезарядок такого аккумулятора, чтобы он перестал работать.

Учёные МФТИ нашли простое и в то же время оригинальное решение: они поменяли не состав кремниевого анода, а конструкцию его токосъемной подложки (она размещается между слоями кремния). Вместо сплошной металлической фольги  инженеры использовали фольгу с отверстиями диаметром 250 и 500 микрометров (0,25 и 0,5 миллиметра). 

– Чем объясняется эффект, – спрашиваю заведующего лабораторией инженерии и технологий химических источников тока МФТИ Валерия Кривецкого. 

– У нас есть некоторые рабочие гипотезы, суть которых состоит в том, что «мостики», которые образуются между двумя сторонами подложки, как бы удерживают анодную массу от отслоения от металлической подложки, придают ей дополнительную прочность. Всех особенностей данного эффекта мы пока сами не понимаем, однако подтвердили в своих экспериментах, что данное явление воспроизводимо, и им можно управлять.

В частности, мы показали, что чем меньше дырочки по размеру, чем они плотнее расположены в медном листе, тем лучше работа батареи. Начинали мы с миллиметрового диаметра отверстий и в ходе работы уменьшили его в 4 раза. 

– Как зарубежные компании решают ту же проблему недолговечности аккумуляторов, работающих на кремнии?

– Эта проблема сейчас актуальна для всех разработчиков. В большинстве современных систем до сих пор стоят литий-ионные аккумуляторы с графитовыми анодами. Кремниевыми, а точнее кремний-графитовыми, могут похвастаться лишь редкие, исключительно дорогие модели гаджетов и дорогих ноутбуков. Да и самого кремния в них, как правило, немного – всего 10 процентов, и это не сильно увеличивает возможности аккумуляторов. Мы придумали решение, которое, теоретически, сможет увеличить их энергоемкость в полтора раза, без потери ресурса.

– Вы проверяли это на практике? 

– Да, собрали реально действующие аккумуляторы, подавали на них ток разной силы, делали около сотни циклов зарядки-разрядки. В итоге было отчётливо показано, что подложка анода с дырочками в полмиллиметра и меньше гораздо дольше сохраняет ресурс аккумуляторов, по сравнению с аккумуляторами на основе сплошной медной фольги, – уменьшение их емкости в наших тестах происходило в 4 раза медленнее. Получается, что придание кремниевой пленке трёхмерной взаимопроникающей структуры приводит к улучшению стабильности литий-ионной батарейки с кремнием. 

Теперь ученые собираются опробовать метод на анодных материалах с ещё большим содержанием кремния и изготовить серию высокоёмких аккумуляторов на базе экспериментального производства в институте.