Čínští vědci dosáhli významného pokroku v technologii polovodičových baterií, když vyvinuli křemíkovou anodu s jedinečnou trojrozměrnou strukturou navrženou tak, aby překonala inherentní nestabilitu materiálu. Průlom, vedený profesorem Chen Wanhua z Ningbo University, řeší jeden z hlavních problémů ve vývoji baterií nové generace: tendenci křemíku expandovat a degradovat během nabíjecích cyklů.
Problém s křemíkem
Křemík je extrémně slibný pro vysokokapacitní lithium-iontové baterie, teoreticky schopné uchovat desetkrát více energie než tradiční grafitové anody. Jeho náhlá změna objemu (více než 300 %) během nabíjení však historicky omezuje jeho praktické použití. Toto rozšíření způsobuje mechanické namáhání, ničí rozhraní baterie a rychle snižuje výkon.
Jak říká profesor Chen Wanhua, křemík je „super nosič“ s obrovským úložným potenciálem, který se však při opětovném použití „zběsile rozpíná“ a „rozpadá“. Tato nestabilita byla dlouho hlavní překážkou pro realizaci plného potenciálu křemíku.
Prodyšné řešení
Výzkumný tým použil plazmovou chemickou depozici z plynné fáze (PECVD) k vytvoření nové sloupcové křemíkové architektury přímo integrované s kolektorem proudu. Tento design má „dvoufázovou“ strukturu jádra a pláště vytvořenou ve dvou fázích.
Klíčovou inovací je záměrné zavedení dutin mezi vertikálně uspořádanými silikonovými nanovlákny. Tato síť vytváří vnitřní „bezpečnostní ventily“, které umožňují křemíku expandovat do vyhrazených prostor, když dovnitř proudí ionty lithia, spíše než zničit okolní pevný elektrolyt.
Vědci v podstatě přešli od používání „křemíkového prášku“ k vytvoření „lesa“ propletených nanodrátů, které se mohou přizpůsobit expanzi bez poškození struktury.
Výjimečný výkon a odolnost
Testy potvrzují vynikající výkon nové anody. Výsledná polovodičová baterie si zachovala dodávku energie, i když byla ohnuta nebo řezána, což prokázalo mimořádnou mechanickou pevnost a bezpečnost.
Tento průlom představuje posun směrem k navrhování materiálů baterií, které berou v úvahu jak iontovou vodivost, tak strukturální integritu. Výrazně přibližuje praktické implementaci vysokoenergetické polovodičové křemíkové baterie s dlouhou životností.
Tento výzkum poskytuje životaschopnou technickou cestu pro vývoj baterií nové generace, které mohou způsobit revoluci v ukládání energie pro elektrická vozidla a přenosnou elektroniku.
