kraftpowercon

Четырехкратный выигрыш в емкости аккумулятора

Главная » Новости » Новости СМИ » Четырехкратный выигрыш в емкости аккумулятора

01.07.2021

Ученые лаборатории процессов в химических источниках тока Института физической химии и электрохимии РАН совместно с коллегами из Московского института электронной техники создали нановолокнистый анод из германия для литий-ионной батареи. Удельная емкость электрода составляет 1,3 Ач/г.

В обычных литий-ионных аккумуляторах отрицательные электроды (аноды) изготавливают из углеродных (графитоподобных) материалов. Предельная емкость графитного электрода составляет 0,37 Ач/г, в три с лишним раза меньше, чем у германиевого.

Энергоемкость материала определяется количеством лития, которое может запасти активный материал аккумулятора. Графит способен внедрять в себя не более одного атома лития на шесть атомов углерода, а германий — до 22 атомов лития на пять атомов германия. Рассчитанная теоретически предельная емкость германия составляет, таким образом, 1,62 Ач/г — в 4,4 раза больше, чем у графита.

Казалось бы, замените графит на германий и получите заметный выигрыш в удельной энергии аккумулятора, ведь размер отрицательного электрода при неизменной емкости станет в 4,4 раза меньше! Однако природа не терпит простых решений. Поскольку плотность лития во много раз меньше плотности германия (0,5 г/куб. см против 5,46 г/куб. см), при внедрении лития в германий происходит сильное увеличение объема, то есть германий буквально распирает вошедшим в него литием, что приводит к разрушению (искрошиванию) электрода. Этой беды можно избежать, если использовать германий в виде нанообъектов, в частности в виде нановолокон. Распирающей силы лития, вошедшего в волокно диаметром всего 20–50 нм, не хватит, чтобы это волокно разрушить.

Для производства нановолокон ученые ИФХЭ РАН и МИЭТ использовали метод электрохимического (гальванического) осаждения из водного раствора при комнатной температуре. Наночастицы германия осаждали на титановые подложки-тоководы размером 2 на 3 см и толщиной 50 мкм, на которые были нанесены точки (микродиски) из индия. При последующем гальваническом осаждении германий охотнее осаждается именно на этих микродисках, потому что при этом выигрывается энергия образования сплава индий-германий. Далее осадок германия растет в виде стержня с диаметром, равным диаметру индиевого микродиска.

Изготовленные таким образом электроды показали очень обнадеживающие характеристики, открывающие дорогу в серьезное производство. При комнатной температуре, средней нагрузке, стандартном времени заряда (когда аккумулятор полностью заряжается за 15 мин.) германий-содержащие электроды показали удельную емкость около 1,3 Ач/г, или 80% теоретически возможной. При форсированном режиме эксплуатации (полный заряд за 2,5 мин.) удельная емкость держалась на уровне 0,84 Ач/г (половина от предельной). Наконец, при охлаждении до температуры –50° С электроды показали удельную емкость 0,25 Ач/г. Графитовые электроды при таких температурах вообще не способны к работе.

Литий-ионные аккумуляторы появились в 1990-х годах и были тогда по-настоящему прорывной технологией: в одном литий-ионном аккумуляторе запасено столько же энергии, сколько в трех никель-кадмиевых аккумуляторах такого же размера и веса.

Благодаря литий-ионным аккумуляторам стало возможным создание портативной электронной аппаратуры, включая мобильную связь. Все современные айфоны и смартфоны, все ноутбуки и планшеты, весь портативный беспроводной инструмент (от столярного до парикмахерского и от медицинского до спортивного) питаются от литий-ионных аккумуляторов. А в последнее время масштаб производства и применения литий-ионных аккумуляторов вырос настолько, что реальностью стали электромобили.

В лаборатории процессов в химических источниках тока ИФХЭ РАН продолжают совершенствование литий-ионных аккумуляторов, однако научный интерес уже перемещается в сторону постлитиевых систем, то есть к аккумуляторам, которые придут на смену литий-ионным,— натрий-ионным и литий-серным.

Исследования проведены по проекту Российского научного фонда №20-79-10312.

По материалам: High-rate and low-temperature performance of germanium nanowires anode for lithium-ion batteries. I.M. Gavrilin, Yu.O. Kudryashova , A.A. Kuz'mina , T.L. Kulova , A.M. Skundin, V.V. Emets, R.L. Volkov, A.A. Dronov, N.I. Borgardt , S.A. Gavrilov. Journal of Electroanalytical Chemistry 888 (2021) 115209