Китайські вчені досягли значного прогресу в технології твердотільних батарей, розробивши кремнієвий анод з унікальною тривимірною структурою, призначеною для подолання властивої матеріалу нестабільності. Прорив під керівництвом професора Чень Ванхуа з Університету Нінбо вирішує одну з головних проблем у розробці акумуляторів наступного покоління: тенденцію кремнію розширюватися та деградувати під час циклів заряджання.
Проблема з кремнієм
Кремній є надзвичайно перспективним для літій-іонних акумуляторів великої ємності, теоретично здатних накопичувати в десять разів більше енергії, ніж традиційні графітові аноди. Однак його різка зміна гучності (більше 300%) під час заряджання історично обмежувала його практичне застосування. Це розширення викликає механічне навантаження, руйнує інтерфейси акумулятора та швидко знижує продуктивність.
За словами професора Чень Ванхуа, кремній є «суперносієм» із величезним потенціалом зберігання, але який «несамовито розширюється» та «руйнується» при повторному використанні. Ця нестабільність довгий час була основною перешкодою для реалізації повного потенціалу кремнію.
Дихаюче рішення
Дослідницька група використала плазмово-хімічне осадження з парової фази (PECVD), щоб створити нову стовпчасту кремнієву архітектуру, безпосередньо інтегровану з колектором струму. Ця конструкція має «двофазну» структуру ядра і оболонки, створену в два етапи.
Ключовою інновацією є навмисне введення пустот між вертикально вирівняними кремнієвими нанодротами. Ця мережа створює внутрішні «запобіжні клапани», які дозволяють кремнію розширюватися у зарезервовані простори, коли іони літію надходять, замість того, щоб руйнувати навколишній твердий електроліт.
По суті, дослідники перейшли від використання «силіконового порошку» до створення «лісу» переплетених нанодротів, які можуть пристосуватися до розширення без структурних пошкоджень.
Виняткова продуктивність і довговічність
Випробування підтверджують чудові характеристики нового анода. Отримана твердотільна батарея зберігала подачу енергії навіть у разі згинання або розрізання, демонструючи виняткову механічну міцність і безпеку.
Цей прорив означає перехід до розробки матеріалів акумуляторів, які враховують як іонну провідність, так і структурну цілісність. Це значно наближає до практичного застосування твердотільні кремнієві батареї високої енергії з тривалим терміном служби.
Це дослідження забезпечує життєздатний технічний шлях для розробки акумуляторів наступного покоління, потенційно революціонізуючи накопичення енергії для електромобілів і портативної електроніки.
