Исследовательская группа Института перспективных технологий (ATI) Университета Суррея опубликовала в журнале «ACS Applied Energy Materials» инновационное исследование анодов для литий-ионных аккумуляторов. Команда разработала структуру под названием вертикально-интегрированные кремниево-углеродные нанотрубки (VISiCNT), направленную на решение ограничений традиционных материалов аккумуляторов в области хранения энергии и стабильности. Эта технология может значительно повысить производительность аккумуляторов для электромобилей и портативных устройств, продлив срок их службы.
Литий-ионные аккумуляторы широко используются в смартфонах, носимых устройствах и электромобилях, но нынешние распространённые графитовые аноды имеют ограничения по плотности энергии. Хотя кремний обладает большим потенциалом накопления, он склонен к расширению во время зарядки, что приводит к ухудшению характеристик. Конструкция VISiCNT, выращивая плотные «леса» углеродных нанотрубок непосредственно на медной фольге и покрывая их тонким слоем кремния, формирует гибкую проводящую структуру, которая эффективно поглощает расширение и сохраняет стабильность.
Лабораторные испытания показали, что анод VISiCNT может хранить более 3500 миллиампер-часов энергии на грамм, что близко к теоретическому максимуму для кремния и значительно выше, чем 370 мА·ч/г у графита. В ходе сотен циклов зарядки анод продемонстрировал хорошую стабильность и улучшение характеристик, предлагая новое решение для приложений с аккумуляторами высокой ёмкости.
Ведущий автор исследования, доктор Мухаммад Ахмад, заявил: «Инновации в области аккумуляторов ускоряются, поскольку существующие технологии часто ограничены возможностями хранения энергии. Наша конструкция VISiCNT предлагает практичный способ полного использования высокой ёмкости кремния без ущерба для срока службы». Он добавил: «Это ключевой прорыв, который поможет создать аккумуляторы высокой ёмкости с быстрой зарядкой и длительным сроком службы, обеспечивая большую дальность хода электромобилей и повседневных устройств».
Ещё одно преимущество этой технологии — масштабируемость производственного процесса. Углеродные нанотрубки можно выращивать непосредственно на медном материале, который уже является распространённым компонентом коммерческих аккумуляторов, что облегчает интеграцию технологии в существующие производственные линии. Директор ATI, профессор Рави Силва, отметил: «Эта работа — важный шаг в продвижении кремниево-углеродных нанотрубочных анодов из лаборатории к реальному производству. Мы можем эффективно наносить углеродные нанотрубочные структуры на медную фольгу и оптимизировать стабильность кремниевого слоя, сводя к минимуму производственные сбои. Эта технология имеет потенциал не только для электромобилей, но и для хранения энергии в сетях и микроэлектроники».
По мере роста глобального спроса на хранение энергии аккумуляторы должны обладать более высокой плотностью энергии, более быстрой зарядкой и большим сроком службы для поддержки целей устойчивого развития. Конструкция VISiCNT предлагает многообещающий путь для решения этих проблем и может стать ключевой движущей технологией силовых систем для электромобилей и мобильных устройств следующего поколения.
