Chińscy naukowcy poczynili znaczny postęp w technologii akumulatorów półprzewodnikowych, opracowując krzemową anodę o unikalnej trójwymiarowej strukturze, zaprojektowanej w celu przezwyciężenia nieodłącznej niestabilności materiału. Przełom, kierowany przez profesora Chen Wanhua z Uniwersytetu w Ningbo, rozwiązuje jeden z głównych problemów w rozwoju akumulatorów nowej generacji: tendencję krzemu do rozszerzania się i degradacji podczas cykli ładowania.
Problem z krzemem
Krzem jest niezwykle obiecujący w przypadku akumulatorów litowo-jonowych o dużej pojemności, teoretycznie zdolnych do magazynowania dziesięciokrotnie więcej energii niż tradycyjne anody grafitowe. Jednak nagła zmiana głośności (ponad 300%) podczas ładowania historycznie ograniczała jego praktyczne zastosowanie. Ta ekspansja powoduje naprężenia mechaniczne, niszczy interfejsy baterii i szybko zmniejsza wydajność.
Jak to ujął profesor Chen Wanhua, krzem jest „supernośnikiem” o ogromnym potencjale magazynowania, który jednak „wściekle rozszerza się” i „rozkłada się” przy ponownym użyciu. Ta niestabilność od dawna stanowi główną przeszkodę w wykorzystaniu pełnego potencjału krzemu.
Oddychające rozwiązanie
Zespół badawczy wykorzystał chemiczne osadzanie z fazy gazowej (PECVD) do stworzenia nowej kolumnowej architektury krzemowej bezpośrednio zintegrowanej z kolektorem prądu. Konstrukcja ta ma „dwufazową” strukturę rdzenia i powłoki utworzoną w dwóch etapach.
Kluczową innowacją jest celowe wprowadzenie pustych przestrzeni pomiędzy pionowo ustawionymi nanodrutami krzemowymi. Sieć ta tworzy wewnętrzne „zawory bezpieczeństwa”, które umożliwiają krzemowi rozszerzanie się do zarezerwowanych przestrzeni, gdy napływają jony litu, zamiast niszczyć otaczający go stały elektrolit.
Zasadniczo badacze przeszli od stosowania „proszku krzemowego” do tworzenia „lasu” splecionych nanodrutów, który może wytrzymać rozszerzanie bez uszkodzeń strukturalnych.
Wyjątkowa wydajność i trwałość
Testy potwierdzają doskonałą wydajność nowej anody. Powstały akumulator półprzewodnikowy utrzymywał dostarczanie mocy nawet po zgięciu lub przecięciu, wykazując się wyjątkową wytrzymałością mechaniczną i bezpieczeństwem.
Ten przełom oznacza zwrot w kierunku projektowania materiałów akumulatorowych uwzględniających zarówno przewodność jonową, jak i integralność strukturalną. Dzięki temu wysokoenergetyczne, trwałe, półprzewodnikowe akumulatory krzemowe znacznie zbliżają się do praktycznego zastosowania.
Badania te wyznaczają realną ścieżkę techniczną rozwoju akumulatorów nowej generacji, potencjalnie rewolucjonizujących magazynowanie energii w pojazdach elektrycznych i przenośnej elektronice.
